Satuan Kalor

Studi awal tentang kalor difokuskan pada peningkatan resultan suhu dari suatu zat, yang biasanya adalah air. Gagasan awal kalor didasarkan pada sebuah fluida yang disebut kalori yang mengalir dari satu substansi ke substansi yang lain dan menyebabkan perubahan suhu. Dari nama mitos fluida ini datang besaran energi yang berkaitan dengan proses termal, kalori (kal), yang didefinisikan sebagai jumlah transfer energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air dari 14,5⁰ C sampai 15,5⁰ C. ("Kalori," ditulis dengan huruf kapital "C" dan digunakan dalam menggambarkan kandungan energi dari makanan, sebenarnya kilokalori.) Satuan energi dalam sistem AS adalah British thermal unit (Btu), yang didefinisikan sebagai jumlah transfer energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 lb air dari 63⁰ F sampai 64⁰ F.

Setelah hubungan antara energi pada proses termal dan mekanik menjadi jelas, tidak ada kebutuhan untuk satuan terpisah terkait dengan proses termal. Joule telah didefinisikan sebagai besaran energi berdasarkan proses mekanis. Para ilmuwan semakin berpaling dari kalori dan Btu dan menggunakan joule saat menjelaskan proses termal. Dalam buku ini, kalor, usaha, dan energi internal (energi dalam) biasanya diukur dalam joule.

Equivalensi Mekanik dari Kalor

Dalam Bab 7 dan 8, kita menemukan bahwa ketika gesekan hadir dalam suatu sistem mekanik, energi mekanik dalam sistem menurun, dengan kata lain, energi mekanik tidak kekal dalam kehadiran gaya nonkonservatif. Berbagai eksperimen menunjukkan bahwa energi mekanik tidak hanya hilang tetapi berubah menjadi energi internal. Anda dapat melakukan percobaan seperti di rumah dengan memalu paku ke secarik kayu. Apa yang terjadi dengan semua energi kinetik palu setelah Anda selesai? Beberapa sekarang di paku sebagai energi internal, seperti yang ditunjukkan oleh paku yang terukur hangat. Perhatikan bahwa tidak ada transfer energi dengan kalor dalam proses ini. Untuk paku dan papan sebagai sistem nonisolated (tak terisolasi), Persamaan 8.2 menjadi ∆E_int = W + T_MW, di mana W adalah kerja yang dilakukan oleh palu pada paku dan T_MW adalah energi yang meninggalkan sistem dengan gelombang suara ketika paku dipukul. Meskipun hubungan antara energi mekanik internal dan pertama kali diusulkan oleh Benjamin Thompson, James Prescott Joule yang mendirikan kesetaraan penurunan energi mekanik dan peningkatan energi internal.

 

Sebuah diagram skematik eksperimen Joule paling terkenal ditunjukkan pada Gambar 20.1. Sistem adalah Bumi, dua balok, dan air dalam wadah termal terisolasi. Kerja ini dilakukan dalam sistem di atas air dengan kincir berputar, yang didorong oleh balok berat yang jatuh pada kecepatan konstan. Jika energi ditransformasikan dalam bantalan dan energi melewati dinding oleh panas yang diabaikan, penurunan energi potensial dari sistem ketika balok jatuh sama dengan kerja yang dilakukan oleh kincir di atas air dan, pada gilirannya, terjadi peningkatan energi internal dari air. Jika dua balok jatuh dengan jarak h, penurunan energi potensial adalah 2mgh, di mana m adalah massa dari satu balok, energi ini menyebabkan suhu air meningkat. Dengan memvariasikan kondisi percobaan, Joule menemukan bahwa penurunan energi mekanik sebanding dengan produk dari massa air dan peningkatan suhu air. Konstanta proporsionalitas ditemukan menjadi sekitar 4,18 J/g∙⁰C. Oleh karena itu, 4.18 J energi mekanik meningkatkan suhu 1 g air sebesar 1⁰C. Pengukuran yang lebih tepat diambil kemudian menunjukkan proporsionalitas menjadi 4,186 J/g∙⁰C ketika suhu air dinaikkan dari 14,5 ⁰C sampai 15,5 ⁰C. Kita mengadopsi "15 derajat kalori" bernilai:

1 kal = 4,186 J                                                           (20.1)

Kesetaraan ini dikenal, semata karena alasan historis, sebagai equivalensi mekanik kalor. Sebuah nama yang lebih tepat akan kesetaraan antara energi mekanik dan energi internal, tetapi nama historis juga bercokol dalam bahasa kita, meskipun penggunaan yang salah dari kata kalor (Serway,2010:566-567).