Kalor Jenis dan kalorimetri

Ketika energi ditambahkan ke sistem dan tidak ada perubahan energi kinetik atau potensial dari sistem, suhu sistem biasanya naik. (Pengecualian terhadap pernyataan ini adalah kasus di mana suatu sistem mengalami perubahan keadaan-juga disebut fase transisi-seperti yang dibahas dalam bagian berikutnya.) Jika sistem terdiri dari sampel suatu zat, kita menemukan bahwa jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu massa zat dengan nilai yang bervariasi dari satu substansi yang lain. Sebagai contoh, jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1⁰C adalah 4,186 J, tetapi jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg tembaga dengan 1⁰C hanya 387 J. Dalam diskusi yang berikut, kita akan menggunakan kalor sebagai contoh transfer energi kita, namun perlu diingat bahwa suhu sistem dapat diubah dengan cara apapun dari metode transfer energi. 

Kapasitas kalor C dari sampel tertentu didefinisikan sebagai jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sampel sebesar 1⁰C. Dari definisi ini, kita melihat bahwa jika energi Q menghasilkan perubahan suhu sampel ∆T, maka:

Q = C ∆T                                                                   (20.2)

Kalor jenis suatu zat adalah kapasitas kalor per satuan massa. Karena itu, jika energi Q mentransfer ke sampel suatu zat dengan massa m dan perubahan suhu sampel oleh ∆T, kalor jenis zat adalah:

c ≡ Q/(m ∆T)                                                                 (20.3)

Kalor jenis pada dasarnya adalah sebuah ukuran seberapa sensitif termal suatu zat dalam penambahan energi. Semakin besar kalor jenis suatu material, semakin banyak energi yang harus ditambahkan ke dalam massa tertentu material yang menyebabkan perubahan suhu tertentu. Tabel 20.1 daftar perwakilan kalor jenis.

Dari definisi ini, kita dapat menghubungkan energi Q yang ditransfer antara sampel bermassa m dari sebuah bahan dan sekitarnya sampai perubahan suhu ∆T sebagai:

Q = mc∆T                                                                   (20.4)

Sebagai contoh, energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 0,50 kg air dengan 3,0 ⁰C adalah Q = (0,50 kg) (4,186 J/kg.⁰C) (3,0 ⁰C) = 6,28 x 10³ J. Perhatikan bahwa ketika suhu meningkat, Q dan ∆T dianggap positif dan transfer energi ke dalam sistem. Ketika suhu menurun, Q dan ∆T negatif dan transfer energi dari sistem.

Kita dapat mengidentifikasi mc∆T sebagai perubahan energi internal sistem jika kita mengabaikan ekspansi atau kontraksi termal dari sistem. (Ekspansi atau kontraksi termal akan menghasilkan dalam jumlah yang sangat kecil dari kerja yang sedang dilakukan pada sistem dengan udara sekitarnya) Kemudian, Persamaan 20.4 adalah bentuk tereduksi Persamaan 8.2: ∆E_int = Q. Energi internal sistem dapat diubah dengan mentransfer energi ke dalam sistem dengan mekanisme apapun. Sebagai contoh, jika sistem adalah kentang panggang dalam oven microwave, Persamaan 8.2 tereduksi menjadi analog berikut untuk Persamaan 20.4: ∆E_int = T_ER = mc∆T, di mana T_ER adalah energi yang ditransfer ke kentang dari oven microwave oleh radiasi elektromagnetik. Jika sistem adalah udara dalam pompa sepeda, yang menjadi panas ketika pompa dioperasikan, Persamaan 8.2 tereduksi menjadi analog berikut untuk Persamaan 20.4: ∆E_int = W = mc ∆T, di mana W adalah kerja yang dilakukan pada pompa oleh operator. Dengan mengidentifikasi mc∆T sebagai ∆E_int, kita telah mengambil langkah menuju pemahaman yang lebih baik tentang suhu: suhu berhubungan dengan energi dari molekul sistem. Kita akan mempelajari rincian lebih lanjut dari hubungan ini dalam Bab 21.

Kalor jenis bervariasi terhadap suhu. Namun, jika interval temperatur tidak terlalu besar, perubahan suhu dapat diabaikan dan c dapat diperlakukan sebagai sebuah konstanta. Misalnya, kalor jenis air berubah hanya sekitar 1% dari 0 ⁰C sampai 100 ⁰C pada tekanan atmosfer. Kecuali dinyatakan lain, kita akan mengabaikan variasi tersebut.

Perhatikan dari Tabel 20.1 air yang memiliki Kalor jenis tertinggi dari pada bahan umum. Kalor jenis yang tinggi ini merupakan sebagian yang bertanggung jawab untuk iklim sedang yang ditemukan hampir sebagian besar air. Ketika suhu air menurun selama musim dingin, energi yang ditransfer dari air pendingin ke udara oleh kalor, meningkatkan energi internal dari udara. Karena Kalor jenis yang tinggi dari air, jumlah energi yang relatif besar ditransfer ke udara untuk suhu sedang berubah dari air. Angin di Pantai Barat Amerika Serikat adalah ke arah daratan (timur). Oleh karena itu, energi yang dibebaskan oleh Samudera Pasifik mendingin membuat wilayah pesisir jauh lebih hangat daripada yang semestinya. Akibatnya, pantai negara barat umumnya memiliki cuaca musim dingin yang lebih menguntungkan daripada Pantai negara Timur, di mana angin yang berlaku tidak cenderung membawa energi menuju daratan.

Kalorimetri

Salah satu teknik untuk mengukur Kalor jenis melibatkan pemanasan sampel beberapa yang diketahui suhunya T_x, menempatkannya dalam wadah yang berisi air yang dikenal massa dan temperaturnya T_w, T_x, dan mengukur suhu air setelah keseimbangan telah tercapai. Teknik ini disebut kalorimetri, dan perangkat di mana transfer energi ini terjadi disebut kalorimeter. Gambar 20.2 menunjukkan sampel panas di air dingin dan transfer energi yang dihasilkan oleh panas dari bagian suhu tinggi dari sistem ke bagian suhu rendah. Jika sistem sampel dan air terisolasi, prinsip konservasi energi mensyaratkan bahwa jumlah energi Q_hot yang meninggalkan sampel (kalor jenis tidak diketahui) sama dengan jumlah energi Q_cold yang memasuki air. Konservasi energi memungkinkan kita untuk menulis representasi matematis pernyataan energi ini sebagai:

Q_cold = -Q_hot                                                                 (20,5)

Misalkan m_x adalah massa sebuah sampel dari beberapa substansi yang kalor jenisnya kita ingin tentukan. Mari kita sebut kalor jenisnya c_x dan temperatur awal T_x seperti yang ditunjukkan pada Gambar 20.2. Demikian juga m_w, c_w, dan T_w mewakili nilai-nilai yang sesuai untuk air. Jika T_f adalah suhu akhir setelah sistem mencapai keadaan ekuilibrium, Persamaan 20.4 menunjukkan bahwa transfer energi untuk air m_wc_w (T_f - T_w), yang positif karena T_f >T_w, dan bahwa transfer energi untuk sampel kalor jenis yang tidak diketahui adalah m_xc_x (T_f - T_x), yang negatif. Mengganti ekspresi ini ke dalam Persamaan 20.5 memberikan:

m_wc_w (T_f - T_w) = -m_xc_x (T_f - T_x)

Persamaan ini dapat diselesaikan untuk kalor jenis c_x yang tidak diketahui. (Serway,2010:568-570).