Dalam fisika, konsep "panas" dikaitkan dengan transfer energi panas antara benda yang berbeda. Karena proses ini, terjadi pemanasan dan pendinginan benda, serta perubahan keadaan agregasinya. Mari kita pertimbangkan secara lebih rinci pertanyaan tentang apa itu kalor.
Konsep konsep
Apa itu panas? Setiap orang dapat menjawab pertanyaan ini dari sudut pandang sehari-hari, yang berarti di bawah konsep yang mempertimbangkan sensasi yang dia miliki ketika suhu lingkungan naik. Dalam fisika, fenomena ini dipahami sebagai proses perpindahan energi yang terkait dengan perubahan intensitas pergerakan yang kacau dari molekul dan atom yang membentuk tubuh.
Secara umum, kita dapat mengatakan bahwa semakin tinggi suhu tubuh, semakin banyak energi internal yang disimpan di dalamnya, dan semakin banyak panas yang dapat diberikannya ke benda lain.
Panas dan suhu
Mengetahui jawaban atas pertanyaan apa itu kalor, mungkin banyak yang mengira konsep ini mirip dengan konsep "suhu", padahal sebenarnya tidak. Panas adalah energi kinetik, suhu adalah ukuran dari inienergi. Jadi, proses perpindahan panas tergantung pada massa zat, jumlah partikel penyusunnya, serta jenis partikel dan kecepatan rata-rata gerakannya. Pada gilirannya, suhu hanya bergantung pada parameter terakhir yang terdaftar.
Perbedaan antara panas dan suhu mudah dipahami jika Anda melakukan eksperimen sederhana: Anda perlu menuangkan air ke dalam dua bejana sehingga satu bejana terisi penuh dan bejana lainnya hanya terisi setengah. Menempatkan kedua bejana di atas api, orang dapat mengamati bahwa bejana yang airnya lebih sedikit mulai mendidih lebih dulu. Agar bejana kedua mendidih, perlu lebih banyak panas dari api. Saat kedua bejana mendidih, Anda dapat mengukur suhunya, itu akan sama (100 oC), tetapi lebih banyak panas diperlukan untuk sebuah bejana penuh untuk merebus air di dalamnya.
Satuan panas
Menurut definisi kalor dalam fisika, orang dapat menebak bahwa panas diukur dalam satuan yang sama dengan energi atau usaha, yaitu dalam joule (J). Selain satuan utama kalor, dalam kehidupan sehari-hari kita sering mendengar tentang kalori (kkal). Konsep ini dipahami sebagai jumlah kalor yang perlu dipindahkan ke satu gram air agar suhunya naik sebesar 1 kelvin (K). Satu kalori sama dengan 4,184 J. Anda juga bisa mendengar tentang kalori besar dan kecil, yaitu masing-masing 1 kkal dan 1 kal.
Konsep kapasitas panas
Mengetahui apa itu kalor, mari kita perhatikan besaran fisika yang secara langsung mencirikannya - kapasitas kalor. Di bawah konsep ini,fisika berarti jumlah kalor yang harus diberikan atau diambil dari suatu benda agar suhunya berubah sebesar 1 kelvin (K).
Kapasitas panas suatu benda tergantung pada 2 faktor utama:
- tentang komposisi kimia dan keadaan agregasi di mana tubuh disajikan;
- massanya.
Untuk membuat karakteristik ini tidak bergantung pada massa suatu benda, dalam fisika panas, kuantitas lain diperkenalkan - kapasitas panas spesifik, yang menentukan jumlah panas yang dipindahkan atau diambil oleh benda tertentu per 1 kg massanya ketika suhu berubah 1 K.
Untuk menunjukkan dengan jelas perbedaan kapasitas panas spesifik untuk zat yang berbeda, misalnya, ambil 1 g air, 1 g besi dan 1 g minyak bunga matahari dan panaskan. Suhu akan berubah paling cepat untuk sampel besi, kemudian untuk tetesan minyak, dan terakhir untuk air.
Perhatikan bahwa kapasitas panas spesifik tidak hanya bergantung pada komposisi kimia zat, tetapi juga pada keadaan agregasinya, serta pada kondisi fisik eksternal di mana ia dipertimbangkan (tekanan konstan atau volume konstan).
Persamaan utama proses perpindahan panas
Setelah menjawab pertanyaan tentang apa itu kalor, kita harus memberikan ekspresi matematis utama yang mencirikan proses perpindahannya untuk semua benda dalam keadaan agregasi apa pun. Ungkapan ini memiliki bentuk: Q=cmT, di mana Q adalah jumlah kalor yang dipindahkan (diterima), c adalah kalor jenis benda yang bersangkutan, m -massanya, T adalah perubahan suhu mutlak, yang didefinisikan sebagai perbedaan suhu tubuh pada akhir dan awal proses perpindahan panas.
Penting untuk dipahami bahwa rumus di atas akan selalu valid ketika, selama proses yang dipertimbangkan, objek mempertahankan keadaan agregasinya, yaitu, tetap cair, padat, atau gas. Jika tidak, persamaan tidak dapat digunakan.
Perubahan keadaan agregasi materi
Seperti yang Anda ketahui, ada 3 keadaan agregat utama di mana materi dapat berupa:
- gas;
- cair;
- tubuh padat.
Agar transisi dari satu keadaan ke keadaan lain terjadi, tubuh perlu menginformasikan atau menghilangkan panas darinya. Untuk proses seperti itu dalam fisika, konsep panas spesifik peleburan (kristalisasi) dan didih (kondensasi) diperkenalkan. Semua kuantitas ini menentukan jumlah panas yang dibutuhkan untuk mengubah keadaan agregasi, yang melepaskan atau menyerap 1 kg berat badan. Untuk proses-proses ini, persamaannya valid: Q=Lm, di mana L adalah kalor jenis dari transisi yang sesuai antara keadaan materi.
Di bawah ini adalah fitur utama dari proses perubahan status agregasi:
- Proses ini berlangsung pada suhu konstan, seperti mendidih atau meleleh.
- Mereka dapat dibalik. Misalnya, jumlah kalor yang diserap suatu benda untuk melebur akan sama persis dengan jumlah kalor yang akan dilepaskan ke lingkungan jika benda ini lewat lagi.ke keadaan padat.
Kesetimbangan termal
Ini adalah isu penting lainnya terkait konsep "kehangatan" yang perlu diperhatikan. Jika dua benda dengan suhu berbeda dikontakkan, maka setelah beberapa saat suhu di seluruh sistem akan menjadi sama dan sama. Untuk mencapai kesetimbangan termal, benda dengan suhu lebih tinggi harus melepaskan panas ke sistem, dan benda dengan suhu lebih rendah harus menerima panas ini. Hukum fisika panas yang menjelaskan proses ini dapat dinyatakan sebagai kombinasi dari persamaan perpindahan panas utama dan persamaan yang menentukan perubahan keadaan agregat materi (jika ada).
Sebuah contoh mencolok dari proses pembentukan spontan kesetimbangan termal adalah sebatang besi merah-panas yang dilemparkan ke dalam air. Dalam hal ini, setrika panas akan melepaskan panas ke air sampai suhunya sama dengan suhu cairan.
Metode dasar perpindahan panas
Semua proses yang diketahui manusia yang berlangsung dengan pertukaran energi panas terjadi dalam tiga cara berbeda:
- Konduktivitas termal. Agar pertukaran panas terjadi dengan cara ini, kontak antara dua benda dengan suhu yang berbeda diperlukan. Di zona kontak pada tingkat molekuler lokal, energi kinetik dipindahkan dari benda panas ke benda dingin. Laju perpindahan panas ini tergantung pada kemampuan benda-benda yang terlibat untuk menghantarkan panas. Contoh mencolok dari konduktivitas termal adalahmanusia menyentuh batang logam.
- Konveksi. Proses ini membutuhkan pergerakan materi, sehingga hanya diamati dalam cairan dan gas. Inti dari konveksi adalah sebagai berikut: ketika lapisan gas atau cairan dipanaskan, massa jenisnya berkurang, sehingga cenderung naik. Selama kenaikan volume cairan atau gas, mereka mentransfer panas. Contoh konveksi adalah proses perebusan air dalam ketel.
- Radiasi. Proses perpindahan panas ini terjadi karena emisi radiasi elektromagnetik dari berbagai frekuensi oleh benda yang dipanaskan. Sinar matahari adalah contoh utama dari radiasi.
