Termometer Gas Volume Konstan dan Skala Suhu Mutlak

Salah satu versi termometer gas yang merupakan peralatan dengan volume konstan yang ditunjukkan pada Gambar 19.3. Perubahan fisik yang dimanfaatkan dalam perangkat ini adalah perubahan tekanan dari volume tetap gas terhadap suhu. Labu direndam dalam bak air es, dan merkuri waduk B dinaikkan atau diturunkan sampai bagian atas merkuri di kolom A berada pada titik nol pada skala. Ketinggian h, perbedaan antara tingkat merkuri dalam reservoir B dan kolom A, menunjukkan tekanan dalam labu di 0⁰C dengan cara Persamaan 14.4, P = P₀ + ρgh.

Labu tersebut kemudian direndam dalam air pada titik uap. Reservoir B menyesuaikan diri sampai atas merkuri di kolom A lagi di skala nol, yang menjamin bahwa volume gas adalah sama seperti ketika labu itu di kamar mandi es (maka penunjukan "konstanta Volume") . Penyesuaian reservoir B memberikan nilai tekanan gas pada 100⁰C. Keduanya, nilai tekanan dan temperatur tersebut kemudian diplot seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.4. Garis yang menghubungkan dua titik berfungsi sebagai kurva kalibrasi untuk suhu yang tidak diketahui. (Percobaan lain menunjukkan bahwa hubungan linier antara tekanan dan temperatur adalah asumsi yang sangat baik.) Untuk mengukur suhu zat, labu gas Gambar 19.3 ditempatkan dalam kontak termal dengan substansi dan tinggi waduk B disesuaikan sampai bagian atas kolom merkuri dalam A adalah nol pada skala. Ketinggian kolom merkuri di B menunjukkan tekanan gas; mengetahui tekanan, suhu zat tersebut ditemukan dengan menggunakan grafik pada Gambar 19.4.

 

Sekarang anggaplah suhu dari gas yang berbeda pada tekanan awal yang berbeda diukur dengan termometer gas. Percobaan menunjukkan bahwa pembacaan termometer hampir independen dari jenis gas yang digunakan selama tekanan gas rendah dan suhu jauh di atas titik di mana gas mencair (Gambar 19.5). Perjanjian antara termometer menggunakan berbagai gas meningkatkan ketika tekanan dikurangi.

Jika kita memperpanjang garis lurus pada Gambar 19.5 terhadap suhu negatif, kita menemukan hasil yang luar biasa: dalam setiap kasus, tekanan adalah nol saat suhu -273.15⁰ C. Temuan ini menunjukkan beberapa peran khusus bahwa temperatur tertentu harus bermain. Hal ini digunakan sebagai dasar untuk skala temperatur absolut, yang menetapkan -273.15⁰C sebagai titik nol. Suhu ini sering disebut sebagai absolute zero (nol mutlak). Hal ini diindikasikan sebagai nol karena pada suhu yang lebih rendah, tekanan gas akan menjadi negatif, yang tidak berarti. Ukuran satu derajat pada skala temperatur absolut dipilih untuk menjadi identik dengan ukuran satu derajat pada skala Celcius. Oleh karena itu, konversi antara suhu ini adalah:

T_C = T - 273,15                                                                                                   (19.1)

dimana T_C adalah suhu dalam skala Celsius dan T adalah suhu absolut.

Karena titik es dan uap eksperimental sulit ditiru dan tergantung pada tekanan atmosfer, skala temperatur absolut didasarkan pada dua poin tetap baru yang diadopsi pada tahun 1954 oleh the International Committee on Weights and Measures (Komite Internasional tentang Berat dan Ukuran). Titik pertama adalah nol mutlak. Kedua temperatur referensi bagi skala ini baru terpilih sebagai triple point dari air, yang merupakan kombinasi tunggal suhu dan tekanan di mana air cairan, air gas, dan es (air zat padat) hidup berdampingan dalam keseimbangan. Ini titik tripel terjadi pada suhu 0.01⁰C dan tekanan 4,58 mm air raksa. Pada skala yang baru, yang menggunakan satuan kelvin, suhu air pada triple point yang ditetapkan sebesar 273,16 kelvin, disingkat 273,16 K. Pilihan ini dibuat agar skala temperatur absolut lama berdasarkan titik beku dan titik uap akan sesuai dengan skala baru berdasarkan tripel point. Skala temperatur absolut baru (juga disebut skala Kelvin) menggunakan satuan SI suhu mutlak, kelvin, yang didefinisikan sebagai 1/273.16 dari perbedaan antara nol mutlak dan suhu tripel point air. 

Gambar 19.6 memberikan suhu mutlak untuk berbagai proses fisik dan struktur. Suhu nol mutlak (0 K) tidak dapat dicapai, meskipun percobaan laboratorium telah datang sangat dekat, mencapai suhu kurang dari satu nanokelvin.

Celcius, Fahrenheit, dan Kelvin Suhu Timbangan

Persamaan 19.1 menunjukkan bahwa suhu Celsius T_C digeser dari temperatur mutlak (Kelvin) T oleh 273,15⁰. Karena ukuran dari satu derajat adalah sama pada kedua skala, perbedaan suhu 5⁰C sama dengan perbedaan suhu 5 K. Kedua skala hanya berbeda dalam pemilihan titik nol. Oleh karena itu, suhu titik beku pada skala Kelvin 273,15 K, sesuai dengan 0.00⁰C, dan titik uap skala Kelvin, 373,15 K, setara dengan 100.00⁰C.

Sebuah skala suhu umum digunakan sehari-hari di Amerika Serikat adalah skala Fahrenheit. Skala ini menetapkan suhu titik beku pada 32⁰F dan suhu titik uap pada 212⁰F. Hubungan skala suhu antara Celcius dan Fahrenheit:

T_F = 9/5 T_C + 32⁰ F                                                                            (19.2)

Kita dapat menggunakan Persamaan 19.1 dan 19.2 untuk menemukan hubungan antara perubahan suhu pada skala Celcius, Kelvin dan Fahrenheit:

∆T_C = ∆T = 5/9 ∆T_F                                                                           (19.3)

Dari tiga skala suhu, hanya skala Kelvin didasarkan pada nilai nol sebenarnya dari suhu. Skala Celcius dan Fahrenheit didasarkan pada nol sembarang terkait dengan satu zat tertentu, air, di satu planet tertentu, Bumi. Oleh karena itu, jika anda menemukan persamaan yang membutuhkan suhu T atau yang melibatkan rasio suhu, Anda harus mengkonversi semua temperatur ke kelvin. Jika persamaan berisi perubahan suhu ∆T, menggunakan suhu Celcius akan memberikan jawaban yang benar, dalam keterangan Persamaan 19.3, tetapi selalu aman untuk mengkonversi suhu dengan skala Kelvin (Serway,2010:547-548).