Perpindahan kalor: rumus, cara menghitungnya, dan latihan soal

Kalor yang ditransfer adalah transfer energi antara dua badan pada temperatur yang berbeda. Yang bersuhu lebih tinggi melepaskan panas ke yang bersuhu lebih rendah. Apakah suatu benda melepaskan atau menyerap panas, suhu atau keadaan fisiknya dapat bervariasi tergantung pada massa dan ciri-ciri bahan dari mana benda itu dibuat.

Contoh yang baik adalah dalam secangkir kopi yang mengepul. Sendok logam yang digunakan untuk mengaduk gula menjadi panas. Jika dibiarkan dalam cangkir cukup lama, kopi dan sendok logam akan menyamakan suhunya: kopi akan mendingin dan panas akan diberikan ke sendok. Sebagian panas akan masuk ke lingkungan, karena sistem tidak diisolasi.

Kopi dan sendok berada dalam kesetimbangan termal setelah beberapa saat. Sumber: Pixabay.

Ketika suhu menjadi sama, kesetimbangan termal telah tercapai .

Jika Anda melakukan tes yang sama dengan sendok teh plastik, Anda pasti akan melihat bahwa itu tidak memanas secepat yang logam, tetapi pada akhirnya juga akan seimbang dengan kopi dan segala sesuatu di sekitarnya.

Ini karena logam menghantarkan panas lebih baik daripada plastik. Di sisi lain, tentunya kopi menghasilkan panas pada tingkat yang berbeda dari cokelat panas atau minuman lainnya. Jadi kalor yang diberikan atau diserap oleh setiap benda tergantung dari bahan atau zat apa benda itu dibuat.

Terdiri dari apa dan rumusnya

kalor selalu mengacu pada aliran atau perpindahan energi antara satu benda dengan benda lain, karena perbedaan suhu.

Itulah mengapa kita berbicara tentang panas yang dipindahkan atau panas yang diserap, karena dengan menambahkan atau mengekstraksi panas atau energi dalam beberapa cara, adalah mungkin untuk mengubah suhu suatu elemen.

Jumlah kalor yang dikeluarkan benda terpanas biasanya disebut Q. Nilai ini sebanding dengan massa benda tersebut. Benda dengan massa besar mampu melepaskan lebih banyak panas daripada benda lain yang massanya lebih rendah.

Perbedaan suhu T

Faktor penting lainnya dalam menghitung perpindahan panas adalah perbedaan suhu yang dialami oleh benda yang mentransfer panas. Ini dilambangkan sebagai T dan dihitung sebagai berikut:

T = T f – T o

Akhirnya, jumlah panas yang ditransfer juga tergantung pada sifat dan ciri-ciri objek, yang secara kuantitatif diringkas dalam konstanta yang disebut panas spesifik material , dilambangkan sebagai c .

Jadi akhirnya ekspresi untuk panas yang ditransfer adalah sebagai berikut:

Q yang dihasilkan = – mcΔT

Menyerah dilambangkan dengan tanda negatif.

Kalor jenis dan kapasitas kalor suatu zat

Kalor jenis adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g zat sebesar 1 C. Ini adalah sifat intrinsik dari materi. Satuannya dalam Sistem Internasional adalah: Joule / kg. K (Joule antara kilogram x suhu dalam derajat Kelvin).

Kapasitas panas C adalah konsep yang terkait, tetapi sedikit berbeda, karena massa benda terlibat. Kapasitas panas didefinisikan sebagai berikut:

C = mc

Satuan SI-nya adalah Joule / K. Jadi kalor yang dilepaskan juga dapat dinyatakan secara ekuivalen sebagai:

Q = -C. T

Bagaimana cara menghitungnya?

Untuk menghitung kalor yang dilepaskan oleh suatu benda, perlu diketahui hal-hal berikut:

  • – Kalor jenis zat yang melepaskan kalor.
  • – Massa zat tersebut
  • – Suhu akhir yang akan diperoleh

Nilai panas spesifik untuk banyak bahan telah ditentukan secara eksperimental dan tersedia dalam tabel.

Kalorimetri

Sekarang, jika nilai ini tidak diketahui, dimungkinkan untuk memperolehnya dengan bantuan termometer dan air dalam wadah berinsulasi termal: kalorimeter. Diagram perangkat ini ditunjukkan pada gambar yang menyertai latihan 1.

Sampel zat pada suhu tertentu direndam dalam sejumlah air yang diukur sebelumnya. Suhu akhir diukur dan panas spesifik bahan ditentukan dengan nilai yang diperoleh.

Dengan membandingkan hasil dengan nilai tabulasi, dapat diketahui zat apa itu. Prosedur ini disebut kalorimetri.

Keseimbangan panas dilakukan dengan menghemat energi:

Q yang dihasilkan + Q yang diserap = 0

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Sepotong tembaga 0,35 kg dimasukkan pada suhu 150ºC dalam 500 mL air pada suhu 25ºC.

a) Suhu kesetimbangan akhir

b) Berapa banyak panas yang mengalir dalam proses ini?

Data

c tembaga = 385 J / kg. C

c air = 4180 J / kg. C

Kepadatan air: 1000 kg / m 3

Skema kalorimeter dasar: wadah air yang diisolasi dan termometer untuk mengukur perubahan suhu. l Sumber: Dr. Tilahun Tesfaye [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Penyelesaian

a) Tembaga melepaskan panas sementara air menyerapnya. Karena sistem dianggap tertutup, hanya air dan sampel yang campur tangan dalam keseimbangan panas:

Q yang dihasilkan = Q yang diserap

Di sisi lain, diperlukan untuk menghitung massa 500 mL air:

500 mL = 0,5 L = 0,0005 m 3

Dengan data ini massa air dihitung:

massa = massa jenis x volume = 1000 kg / m 3 . 0,0005 m 3 = 0,5 kg

Persamaan kalor tiap zat dinaikkan:

Q dihasilkan = -m tembaga . c . tembaga . T = -0,35 kg. 385 J / kg.°C. (T f –150 C) = -134,75 (T f – 150) J

Q yang diserap = m air . c air . T = 0,5 kg. 4186 J / kg. C.(T f –25 C) = 2093 (T f –25) J

Menyamakan hasil yang kita miliki:

2093 (T f – 25) = -134,75 (T f – 150)

Ini adalah persamaan linier dengan satu yang tidak diketahui, yang larutannya adalah:

T f = 32,56 ºC

b) Jumlah kalor yang mengalir adalah kalor yang dipindahkan atau kalor yang diserap:

Q yang dihasilkan = – 134,75 (32,56 – 150) J = 15823 J

Q yang diserap = 2093 (32,56 – 25) J = 15823 J

Latihan 2

Sepotong tembaga 100 g dipanaskan dalam tungku sampai suhu T o dan kemudian ditempatkan dalam kalorimeter tembaga 150 g berisi 200 g air pada 16ºC. Suhu akhir sekali dalam kesetimbangan adalah 38ºC. Ketika kalorimeter dan isinya ditimbang, ternyata 1,2 g air telah menguap.Berapa suhu awal T o ?

Data: kalor laten penguapan air adalah L v = 2257 kJ / kg

Penyelesaian

Latihan ini berbeda dari yang sebelumnya, karena kalorimeter juga harus menyerap panas. Panas yang dilepaskan oleh potongan tembaga diinvestasikan dalam semua hal berikut:

– Panaskan air dalam kalorimeter (200 g)

– Panaskan tembaga dari mana kalorimeter dibuat (150 g)

– Menguapkan 1,2 gram air (energi juga diperlukan untuk perubahan fasa).

Q yang dihasilkan = – 100 x 1 x 10 -3 kg. 385 J/kg. C. (38 – T o ) ° C = – 38.5 . (38 – T o ) J

Q diserap kalorimeter = Q diserap air + Q penguapan + Q diserap tembaga

0,2 kg.4186 J / kg ° C. (38 – 16 ° C) + 1,2 x 10 -3 kg. 2257000 J / kg +0,150 kg,385 J / kg.ºC. (38 – 16 C) =

18418.4 +2708.4 + 1270.5 J = 22397.3 J

Karena itu:

– 38.5 . (38 – T o ) = 22397.3

T o = 619,7 C

Kalor yang dibutuhkan untuk membawa 1,2 g air hingga 100ºC juga dapat dipertimbangkan, tetapi itu adalah jumlah yang cukup kecil jika dibandingkan.

Referensi

  1. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Kegunaan. 6 th . Ed.Prentice Hall. 400 – 410.
  2. Kirkpatrick, L. 2007. Fisika: Pandangan Dunia. 6 ta Editing disingkat. Cengage Belajar. 156-164.
  3. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson. 309-332.
  4. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14 th . Edisi Volume 1. 556 – 553.
  5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Dasar-dasar Fisika. 9 na Cengage Belajar.

Related Posts