Panas dan kesetimbangan termodinamika

Dalam termodinamika, panas adalah pengangkutan energi karena perbedaan suhu. Panas dalam hal ini tidak pernah "terkandung" dalam suatu objek! Pelajari lebih lanjut tentang konsep panas termodinamika dalam artikel ini.

Artikel ini memberikan jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan berikut, antara lain

  • Mengapa suhu dua benda yang bersentuhan satu sama lain menyamakan dari waktu ke waktu?
  • Apa itu keseimbangan termodinamika?
  • Mengapa panas tidak bisa terkandung dalam suatu benda?
  • Apa perbedaan antara suhu, panas, dan energi internal?

Persamaan suhu dua zat
Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa suhu dua objek menyamakan dari waktu ke waktu ketika mereka bersentuhan satu sama lain. Pada titik tertentu, suhu pencampuran umum akhirnya tercapai. Ini bisa dilihat, misalnya, ketika susu yang relatif dingin dituangkan ke dalam secangkir kopi panas. Setelah waktu yang singkat, suhu pencampuran umum antara susu dan kopi tercapai. Suhu pencampuran ini berada di antara dua suhu awal.
Dengan bantuan model partikel materi , proses pemerataan suhu ini dapat dipahami dengan jelas. Pertama, partikel dalam kopi memiliki energi kinetik yang lebih tinggi dari pada susu karena suhu yang lebih tinggi. Secara sederhana, molekul dalam kopi lebih cepat dari pada susu. Ketika susu dituangkan ke dalam kopi, partikel-partikel yang berbeda terus-menerus bertabrakan karena gerakan Brown mereka . Molekul susu "dingin" dan karenanya lambat dihantam oleh molekul "panas" dan karenanya kopi cepat.

Akibatnya, molekul susu yang relatif lambat menjadi lebih cepat. Ini disertai dengan peningkatan suhu. Sebaliknya, molekul kopi cepat diperlambat oleh molekul susu lambat ketika mereka bertabrakan. Molekul kopi cepat dengan demikian diperlambat, yang disertai dengan penurunan suhu. Pertukaran energi antara partikel susu dan partikel kopi ini akhirnya mengarah pada pendekatan timbal balik dari energi kinetik dari waktu ke waktu dan dengan demikian ke suhu pencampuran umum (lihat juga artikel pada teorema Equipartition ).

Karenanya, molekul kopi yang lebih cepat memiliki efek "percepatan" pada molekul susu yang lebih lambat. Sebaliknya, molekul susu yang lebih lambat memiliki efek "perlambatan" pada molekul kopi yang lebih cepat. Jika jumlah susu dingin yang relatif besar dituangkan, efek "deselerasi" relatif diucapkan dari sudut pandang makroskopis. Dalam hal ini, suhu pencampuran akan bergeser ke suhu yang lebih dingin. Jika, di sisi lain, hanya sedikit susu dingin yang ditambahkan, efek "deselerasi" akan kurang jelas dan suhu pencampuran akan lebih tinggi.

Model konsepsi
Seseorang dapat dengan jelas memahami keseimbangan energi kinetik dengan model berikut. Untuk tujuan ini, dua kamar dipertimbangkan, yang pada awalnya dipisahkan satu sama lain oleh dinding pemisah. Di ruang kiri ada bola yang bergerak relatif cepat. Namun, di ruang yang tepat, partikel-partikel bergerak relatif lambat. Bola-bola di ruang kiri dengan demikian mewakili suatu zat dengan suhu tinggi dan bola-bola di ruang kanan mewakili suatu zat dengan suhu rendah.

Jika seseorang sekarang membuka dinding pemisah, bola-bola dengan kecepatan berbeda bertabrakan secara permanen. Ini menyebabkan bola yang lebih cepat mentransfer sebagian energi kinetiknya ke partikel yang lebih lambat. Setelah waktu yang cukup lama, energi telah menyamakan dan suhu pencampuran umum telah tercapai.

Dalam model yang dijelaskan pada bagian sebelumnya dan juga pada kenyataannya, tabrakan masih terjadi antara partikel bahkan setelah suhu pencampuran telah tercapai. Namun, dari sudut pandang makroskopis, tabrakan ini tidak lagi menyebabkan pertukaran energi (bersih). Sementara sebuah partikel dapat menjadi lebih cepat lagi di satu titik, partikel lain melambat di titik lain. Dari sudut pandang makroskopis, keadaan termal kesetimbangan dipertahankan. Dalam konteks ini kita juga berbicara tentang apa yang disebut keseimbangan dinamis atau dalam hal ini keseimbangan termodinamika .
Keseimbangan termodinamika didefinisikan sebagai keadaan di mana tidak ada lagi pertukaran energi pada tingkat yang dapat diukur secara makroskopik, yaitu suhu pencampuran yang umum telah tercapai!
Konsep panas
Jelas, selama tabrakan berlangsung, energi ditransfer dari molekul yang relatif cepat dari zat panas ke molekul yang relatif lambat dari zat dingin. Pertukaran energi antara molekul-molekul dari dua zat yang dihubungkan satu sama lain pada suhu yang berbeda disebut panas .
Dalam pengertian termodinamika, panas karenanya hanya mengacu pada proses aktual mentransfer energi dari objek panas ke objek yang lebih dingin. Untuk alasan ini, panas adalah kuantitas proses yang disebut (lihat juga artikel Kuantitas proses: panas dan kerja ).

Karena itu istilah panas tidak menggambarkan keadaan energetik suatu zat, yaitu bukan sifat menjadi "panas" atau "dingin". Keadaan energik dari suatu zat pada tingkat atom "dalam" digambarkan oleh energi internal sebagai apa yang disebut variabel keadaan .

Panas dalam pengertian termodinamika berarti transfer energi dari zat yang lebih panas ke zat yang lebih dingin (berjuang untuk keseimbangan termodinamika)!

Dalam termodinamika, panas biasanya dilambangkan dengan simbol Q . Karena itu adalah jumlah energi, ia memiliki satuan J ("Joule").

Contoh ilustrasi panas
Istilah suhu, panas, dan energi internal tidak dibedakan dengan benar, terutama dalam kehidupan sehari-hari. Namun, ini penting untuk memahami termodinamika. Untuk alasan ini, kami ingin mengklarifikasi persyaratan dengan contoh ilustrasi.

Dua kendaraan yang mengemudi satu di belakang yang lain dipertimbangkan. Di depan adalah sepeda motor yang relatif lambat, diikuti oleh mobil yang bergerak lebih cepat. Kedua kendaraan dapat diberi energi kinetik tertentu sesuai dengan kecepatan dan massanya. Energi kinetik ini berdiri dalam pengertian kiasan untuk suhu suatu zat.

Namun, energi kinetik hanyalah salah satu dari banyak bentuk energi yang dimiliki kendaraan. Di tangki kendaraan, lebih tepatnya di bahan bakar, misalnya ada energi kimia. Hal yang sama berlaku untuk aki mobil. Jika kendaraan memiliki lampu, mereka jelas juga memiliki energi elektromagnetik. Semua bentuk energi ini, yang dimiliki kendaraan dalam setiap kasus, bersesuaian dalam arti kiasan dengan energi internal .

Jadi energi kinetik hanyalah bagian dari energi internal. Alasan mengapa energi kinetik biasanya dihitung secara terpisah dari energi internal hanya karena hanya energi kinetik yang secara langsung terkait dengan suhu (untuk hubungan antara energi kinetik dan suhu ini, lihat artikel Tekanan dan Suhu ). Jadi, sementara energi internal menggambarkan keadaan keseluruhan energik, suhu hanya disebabkan oleh energi kinetik.

Istilah panas hanya berlaku ketika mobil yang lebih cepat menabrak sepeda motor yang lebih lambat. Dalam hal ini sebagian energi kinetik dipindahkan dari mobil ke sepeda motor. Justru "energi tumbukan" ini, yang ditransfer karena kecepatan yang berbeda ("suhu berbeda") selama tumbukan, yang berhubungan dengan panas dalam arti kiasan.

Dalam hal ini, transfer energi digunakan untuk membuat sepeda motor lebih lambat lebih cepat (peningkatan energi kinetik), yaitu untuk meningkatkan suhu dalam arti kiasan. Pada saat yang sama, mobil yang lebih cepat kehilangan persis jumlah energi ini dan karenanya menjadi lebih lambat (pengurangan energi kinetik). Akibatnya, suhu berkurang dalam arti kiasan. Pada tingkat yang sama dengan keadaan energi keseluruhan dari mobil yang lebih cepat berkurang, keadaan energi keseluruhan sepeda motor meningkat karena kekekalan energi (energi deformasi diabaikan).

Namun, sepeda motor tidak serta merta harus mempertahankan kenaikan kecepatan di jalur selanjutnya. Misalnya, bisa menggunakan kecepatan berlebih untuk mengisi ulang baterai mobil. "Energi tumbukan" yang dipasok ke sepeda motor dengan demikian diubah menjadi energi internal dalam arti kiasan. Dapat disimpulkan bahwa objek yang melepaskan * panas mengurangi energi internalnya, dan objek yang menyerap panas ini meningkatkan energi internalnya dengan jumlah yang sama.

*) Istilah "melepaskan panas" sering digunakan dan hampir tidak dapat dihindari secara bahasa, tetapi pada dasarnya menyesatkan. Ini menunjukkan bahwa suatu benda mengandung panas, yang dapat dilepaskannya. Namun, panas tidak pernah menjadi isi suatu objek dan karenanya tidak dapat dilepaskan. Panas hanya mengacu pada jumlah energi yang diambil dari energi internal dari satu objek dan yang digunakan untuk memberi manfaat pada energi internal objek lain!

Oleh karena itu, panas yang diserap dari suatu objek tidak harus menguntungkan energi kinetik molekul, tetapi dapat menguntungkan berbagai bentuk energi internal. Akibatnya, pasokan panas tidak selalu harus dikaitkan dengan peningkatan suhu. Contoh sederhana yang menggambarkan ini adalah penguapan air di atas kompor listrik. Terlepas dari panas yang dipasok secara permanen dari hotplate, suhu air tidak berubah selama penguapan. Dalam hal ini, panas yang dipasok jelas tidak menghasilkan peningkatan suhu. Sebaliknya, panas selama penguapan digunakan untuk mengubah energi pengikat (yang merupakan bagian dari energi internal) sehingga zat berubah dari cairan ke fase gas.

Persamaan suhu padatan
Proses transfer energi oleh panas tidak hanya terjadi pada zat-zat di mana pergerakan bebas molekul dapat menyebabkan tabrakan, seperti halnya dalam gas atau cairan. Bahkan tanpa pencampuran molekul, energi dapat ditransfer antara dua zat dalam bentuk panas. Ini sudah bisa dilihat dalam percobaan sederhana di mana dua padatan dengan suhu yang berbeda dibawa ke dalam kontak satu sama lain. Meskipun molekul kedua padatan jelas tidak dapat bercampur, penyamaan suhu dapat diamati di sana juga seiring waktu.
Dalam hal ini transfer energi dapat ditelusuri kembali ke partikel berosilasi pada permukaan kontak kedua benda. Dengan demikian, molekul yang bergetar lebih kuat dari objek yang lebih panas bertabrakan pada permukaan kontak dengan molekul bergetar yang lebih lemah dari tubuh yang lebih dingin. Akibatnya, partikel yang bergetar relatif lambat dari objek yang dingin bersemangat untuk getaran yang lebih kuat atau getaran kuat dari tubuh yang lebih panas "teredam". Ini juga secara bertahap mengarah ke penyamaan dari intensitas getaran yang berbeda dan dengan demikian ke penyamaan suhu.

Namun, transfer energi dalam bentuk panas juga dapat terjadi tanpa kontak langsung antara dua tubuh! Ini disebabkan oleh fakta bahwa setiap tubuh memancarkan radiasi elektromagnetik tergantung pada suhunya (lihat artikel radiasi Blackbody ). Radiasi suhu ini dibuat terlihat dalam kamera pencitraan termal , misalnya. Radiasi panas elektromagnetik dapat menyebabkan molekul-molekul benda lain bergetar tanpa kontak langsung dengannya.

Informasi lebih lanjut tentang bagaimana panas dapat ditransfer dapat ditemukan di artikel Perpindahan panas .

Iklan Atas Artikel

Iklan Tengah Artikel 1

Iklan Tengah Artikel 2

Iklan Bawah Artikel