Temperature, Panas dan Hukum Ke I Termodinamika.en.id

C H SEBUAH P. T E R 18

Suhu, Panas, dan Hukum

Pertama Termodinamika

18-1 SUHU

Tujuan pembelajaran

Setelah membaca modul ini, Anda seharusnya sudah bisa. . .

18.01 Identifikasi suhu terendah sebagai 0 pada skala Kelvin 18.04 Jelaskan kondisi untuk mengukur suhu
(nol mutlak). dengan termometer gas volume konstan.

18.02 Jelaskan hukum ke nol termodinamika. 18.05 Untuk termometer gas volume konstan, hubungkan
18.03 Jelaskan kondisi suhu titik tiga. tekanan dan suhu gas dalam beberapa keadaan tertentu
pada tekanan dan suhu pada titik tripel.
Ide Kunci

● Suhu adalah besaran dasar SI yang terkait dengan rasa ● Dalam sistem SI, suhu diukur dengan skala Kelvin, yang
panas dan dingin kita. Ini diukur dengan termometer, yang didasarkan pada tiga titik air (273,16 K). Temperatur lain
berisi zat yang bekerja dengan sifat terukur, seperti panjang kemudian ditentukan dengan menggunakan termometer gas
atau tekanan, yang berubah secara teratur saat zat menjadi volume konstan, di mana sampel gas dijaga pada volume
lebih panas atau lebih dingin. konstan sehingga tekanannya sebanding dengan suhunya. Kami
menentukan suhu T yang diukur dengan termometer gas
● Ketika termometer dan beberapa benda lain ditempatkan dalam
kontak satu sama lain, mereka akhirnya mencapai kesetimbangan T (273,16 K) batas p .
termal. Pembacaan termometer kemudian diambil sebagai suhu
benda lain. Proses ini memberikan pengukuran suhu yang konsisten gas: 0 p 3
dan berguna karena hukum ke nol termodinamika: Jika benda SEBUAH
dan B masing-masing dalam kesetimbangan termal dengan benda Sini T dalam kelvin, dan p 3 dan p adalah tekanan gas pada
ketiga C ( termometer), lalu SEBUAH dan B berada dalam 273,16 K dan suhu terukur,
kesetimbangan termal satu sama lain.
masing-masing.

Apakah Fisika Itu?

Salah satu cabang utama fisika dan teknik adalah termodinamika,
yang merupakan studi dan penerapan energi termal ( sering disebut
energi internal) sistem. Salah satu konsep sentral termodinamika adalah suhu. Sejak
kecil, Anda telah mengembangkan pengetahuan kerja tentang energi dan suhu termal.
Misalnya, Anda tahu untuk berhati-hati dengan makanan panas dan kompor panas dan
menyimpan makanan yang mudah busuk di kompartemen yang sejuk atau dingin.
Anda juga tahu cara mengontrol suhu di dalam rumah dan mobil, dan cara melindungi
diri dari hawa dingin dan sengatan panas.

Contoh bagaimana termodinamika berperan dalam rekayasa dan sains sehari-hari tidak
terhitung banyaknya. Insinyur mobil prihatin dengan pemanasan mesin mobil, seperti
selama balapan NASCAR. Insinyur makanan prihatin dengan pemanasan makanan yang
tepat, seperti pizza yang dipanaskan dengan microwave, dan dengan pendinginan makanan
yang tepat, seperti makan malam di TV yang dibekukan dengan cepat di pabrik pemrosesan.
Ahli geologi prihatin dengan transfer energi panas dalam peristiwa El Niño dan pemanasan
bertahap bentangan es di Kutub Utara dan Antartika.

514

18-1 SUHU 515

Insinyur pertanian prihatin dengan kondisi cuaca yang menentukan apakah pertanian 10 39 Alam semesta setelahnya
suatu negara berkembang atau punah. Insinyur medis prihatin dengan bagaimana
suhu pasien dapat membedakan antara infeksi virus jinak dan pertumbuhan kanker. awal

Titik awal dalam diskusi kita tentang termodinamika adalah konsep suhu dan cara Suhu (K) 10 8 Laboratorium tertinggi
mengukurnya. 10 6
10 4 suhu
Suhu 10 2 Pusat Matahari
10 0
Suhu adalah salah satu dari tujuh besaran dasar SI. Fisikawan mengukur suhu di Skala 10 –2 Permukaan Matahari
kelvin, yang ditandai dalam unit yang disebut kelvin. Meskipun suhu suatu benda Tungsten meleleh
tampaknya tidak memiliki batas atas, ia memang memiliki batas bawah; suhu rendah 10 –9 Air membeku
yang membatasi ini diambil sebagai nol dari skala suhu Kelvin. Suhu kamar sekitar 290
kelvin, atau 290 K seperti yang kami tulis, di atas ini Semesta hari ini
nol mutlak. Gambar 18-1 menunjukkan kisaran suhu yang luas.
Mendidihkan helium-3
Ketika alam semesta dimulai 13,7 miliar tahun yang lalu, suhunya sekitar 10 39 K.
Rekam suhu rendah
Saat alam semesta mengembang, ia mendingin, dan sekarang telah mencapai suhu rata-rata sekitar 3 K.
Kita di Bumi sedikit lebih hangat dari itu karena kita kebetulan tinggal di dekat bintang. Tanpa Matahari
kita, kita akan berada pada 3 K (atau, lebih tepatnya, kami tidak bisa ada).

Hukum Zeroth Termodinamika Gambar 18-1 Beberapa suhu pada skala Kelvin.

Sifat-sifat banyak benda berubah saat kita mengubah suhunya, mungkin dengan Suhu T 0 sesuai
memindahkannya dari lemari es ke oven yang hangat. Sebagai contoh: Saat suhunya
meningkat, volume cairan meningkat, batang logam tumbuh sedikit lebih panjang, dan menjadi 10 dan tidak dapat diplot pada

skala logaritmik ini.

hambatan listrik dari kabel meningkat, seperti halnya tekanan yang diberikan oleh gas

terbatas. Kita dapat menggunakan salah satu properti ini sebagai dasar instrumen

yang akan membantu kita menjabarkan konsep suhu.

Gambar 18-2 menunjukkan instrumen seperti itu. Setiap insinyur yang banyak akal dapat

merancang dan membangunnya, menggunakan salah satu properti yang tercantum di atas. Instrumen

dilengkapi dengan tampilan pembacaan digital dan memiliki sifat berikut: Jika Anda memanaskannya

(misalnya, dengan pembakar Bunsen), angka yang ditampilkan mulai bertambah; jika Anda kemudian

memasukkannya ke dalam lemari es, angka yang ditampilkan mulai berkurang. Instrumen tidak

dikalibrasi dengan cara apa pun, dan angka-angka tersebut (belum) tidak memiliki arti fisik. Perangkat

tersebut adalah termoskop tapi tidak (belum) a termometer.

Misalkan, seperti pada Gambar 18-3 Sebuah, kami meletakkan termoskop (yang akan kami

sebut tubuh T) menjadi kontak intim dengan tubuh lain (tubuh SEBUAH). Seluruh sistem dibatasi

dalam kotak isolasi berdinding tebal. Angka-angka yang ditampilkan oleh termoskop bergulir

sampai, akhirnya, mereka berhenti (katakanlah pembacaan adalah "137.04") dan tidak ada

perubahan lebih lanjut yang terjadi. Faktanya, kita mengandaikan bahwa setiap properti tubuh

terukur T dan tubuh SEBUAH telah mengasumsikan nilai yang stabil dan tidak berubah. Lalu kita

katakan bahwa kedua benda itu masuk kesetimbangan termal satu sama lain. Padahal bacaan yang

ditampilkan untuk body T belum dikalibrasi, kami menyimpulkan tubuh itu T dan SEBUAH harus

pada suhu yang sama (tidak diketahui).

Misalkan kita meletakkan tubuh selanjutnya T menjadi kontak intim dengan tubuh B ( Gambar 18-3 b)

dan menemukan bahwa kedua benda mencapai kesetimbangan termal pada pembacaan termoskop yang sama. Kemudian

tubuh T dan B harus berada pada suhu yang sama (masih belum diketahui). Jika kita sekarang memasukkan tubuh SEBUAH

dan B ke dalam kontak yang intim (Gbr. 18-3 c), apakah mereka segera berada dalam kesetimbangan termal satu

sama lain? Secara eksperimental, kami menemukan bahwa mereka berada.

Fakta eksperimental yang ditunjukkan pada Gambar 18-3 diringkas dalam hukum ke nol Sensitif terhadap panas
termodinamika: elemen

Jika tubuh SEBUAH dan B masing-masing dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga T, kemudian SEBUAH Gambar 18-2 Sebuah termoskop. Jumlahnya
meningkat saat perangkat dipanaskan dan
dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. berkurang saat perangkat didinginkan. Elemen yang
peka terhadap panas dapat berupa — di antara
Dalam bahasa yang kurang formal, pesan dari hukum ke nol adalah: “Setiap tubuh banyak kemungkinan — sebuah gulungan kawat
memiliki properti yang dipanggil suhu. Ketika dua benda berada dalam kesetimbangan yang hambatan listriknya diukur dan ditampilkan.
termal, suhunya sama. Dan sebaliknya." Sekarang kita dapat membuat termoskop kita

516 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Gambar 18-3 ( Sebuah) Tubuh T ( termoskop) T T
dan tubuh SEBUAH berada dalam
kesetimbangan termal. (Tubuh S adalah SEBUAH S S T
layar isolasi termal.) ( b) B
Tubuh T dan tubuh B juga dalam B SEBUAH SEBUAH B
kesetimbangan termal, pada
pembacaan termoskop yang sama. ( c) ( Sebuah) ( b) ( c)
Jika ( Sebuah) dan ( b) benar, hukum ke
nol dari status termodinamika
tubuh itu SEBUAH dan tubuh B juga
dalam kesetimbangan termal.

Gas (tubuh ketiga T) ke dalam termometer, yakin bahwa pembacaannya akan memiliki arti fisik.
termometer Yang harus kita lakukan adalah mengkalibrasinya.

bohlam Kami menggunakan hukum nol secara konstan di laboratorium. Jika kami ingin
mengetahui apakah cairan dalam dua gelas kimia memiliki suhu yang sama, kami mengukur
Uap air suhu masing-masing dengan termometer. Kita tidak perlu mendekatkan kedua cairan dan
mengamati apakah keduanya berada atau tidak dalam kesetimbangan termal.

Hukum nol, yang disebut pemikiran logis berikutnya, baru terungkap pada tahun
1930-an, lama setelah hukum pertama dan kedua termodinamika ditemukan dan
dinomori. Karena konsep suhu adalah dasar dari kedua hukum tersebut, hukum yang
menetapkan suhu sebagai konsep yang valid harus memiliki angka terendah —
karenanya menjadi nol.

Es Mengukur Suhu

air Di sini pertama-tama kami mendefinisikan dan mengukur suhu pada skala Kelvin. Kemudian kami
mengkalibrasi termoskop untuk menjadikannya termometer.
Gambar 18-4 Sel tiga titik, tempat es padat, air
cair, dan uap air hidup berdampingan dalam Titik Tiga Air
kesetimbangan termal. Dengan kesepakatan
internasional, suhu campuran ini telah Untuk mengatur skala suhu, kami memilih beberapa fenomena termal yang dapat
ditetapkan menjadi 273,16 K. Bohlam direproduksi dan, secara sewenang-wenang, menetapkan suhu Kelvin tertentu ke
termometer gas volume konstan ditampilkan lingkungannya; artinya, kami memilih a titik tetap standar dan berikan titik tetap standar suhu.
dimasukkan ke dalam sumur sel. Kita dapat, misalnya, memilih titik beku atau titik didih air, tetapi karena alasan teknis,
kita memilih tiga titik air.
Skala
0 Air cair, es padat, dan uap air (air berbentuk gas) dapat hidup berdampingan,
dalam kesetimbangan termal, hanya pada satu set nilai tekanan dan suhu. Gambar
18-4 menunjukkan sel titik rangkap tiga, di mana yang disebut titik rangkap tiga air ini
dapat dicapai di laboratorium. Dengan persetujuan internasional, titik tripel air telah
diberi nilai 273,16 K sebagai suhu titik tetap standar untuk kalibrasi termometer; itu
adalah,

Terisi gas T 3 273.16 K (suhu tiga titik), (18-1)

bohlam

di mana subskrip 3 berarti "titik tiga". Perjanjian ini juga menetapkan ukuran kelvin
sebagai 1 / 273.16 dari perbedaan antara suhu titik tiga air dan nol mutlak.

h Perhatikan bahwa kami tidak menggunakan tanda derajat dalam melaporkan suhu
T Kelvin. Ini adalah 300 K (bukan 300 K), dan dibaca "300 kelvin" (bukan "300 derajat
Kelvin"). Awalan SI biasa berlaku. Jadi, 0,0035 K adalah 3,5 mK. Tidak ada perbedaan
R dalam nomenklatur yang dibuat antara suhu Kelvin dan perbedaan suhu, jadi kita
dapat menulis, "titik didih belerang adalah 717,8 K" dan "suhu penangas air ini
dinaikkan 8,5 K."

Gambar 18-5 Termometer gas volume Termometer Gas Volume Konstan
konstan, bohlamnya terendam dalam cairan
yang suhunya T akan diukur. Termometer standar, yang dengannya semua termometer lainnya dikalibrasi, didasarkan pada tekanan
gas dalam volume tetap. Gambar 18-5 menunjukkan seperti itu
termometer gas volume konstan; itu terdiri dari bohlam berisi gas yang dihubungkan oleh
tabung ke manometer merkuri. Dengan menaikkan dan menurunkan reservoir R, merkuri

18-1 SUHU 517

Gambar 18-6 Suhu diukur dengan termometer Suhu (K) 373,50 373.125 K N2
gas volume konstan, dengan bohlamnya 373.40
direndam dalam air mendidih. Untuk suhu 373.30 20 40 60 80 H2
perhitungan menggunakan Persamaan. 18-5, 373.20 p 3 ( kPa) Dia
tekanan p 3 diukur pada triple point air 373.10 100 120
gas yang berbeda di bohlam termometer
0
secara umum memberikan hasil yang berbeda pada tekanan gas

yang berbeda, tetapi sesuai dengan jumlah gasnya

menurun (menurun p 3), ketiga kurva menyatu
menjadi 373,125 K.

tingkat di lengan kiri tabung-U selalu dapat dibawa ke skala nol untuk menjaga volume
gas tetap konstan (variasi dalam volume gas dapat mempengaruhi pengukuran suhu).

Suhu benda apa pun yang bersentuhan termal dengan bohlam (seperti cairan yang
mengelilingi bohlam pada Gambar 18-5) kemudian ditetapkan sebagai

T Cp, (18-2)

di mana p adalah tekanan yang diberikan oleh gas dan C adalah sebuah konstanta. Dari Persamaan. 14-10,

tekanan p aku s p p 0 r gh, (18-3)

di mana p 0 adalah tekanan atmosfer, r adalah kepadatan merkuri di manometer, dan h adalah

perbedaan terukur antara tingkat merkuri di

dua lengan tabung. * (Tanda minus digunakan dalam Persamaan 18-3 karena tekanan p aku s

diukur atas tingkat tekanannya p 0.)

Jika selanjutnya kita meletakkan bola lampu di sel tiga titik (Gbr. 18-4), suhunya sekarang

sedang diukur

T 3 Cp 3, (18-4)

di mana p 3 adalah tekanan gas sekarang. Menghilangkan C antara Persamaan. 18-2 dan 18-4
memberi kita suhu sebagai

p (273,16 K) p (sementara). (18-5)
T T3p3 p3

Kami masih mengalami masalah dengan termometer ini. Jika kita menggunakannya untuk
mengukur, katakanlah, titik didih air, kita temukan bahwa gas yang berbeda dalam bola lampu
memberikan hasil yang sedikit berbeda. Namun, karena kami menggunakan gas dalam jumlah yang
semakin sedikit untuk mengisi bohlam, pembacaannya menyatu dengan baik ke satu suhu, tidak peduli
gas apa yang kami gunakan. Gambar 18-6 menunjukkan konvergensi untuk tiga gas.

Jadi resep untuk mengukur suhu dengan termometer gas adalah

T (273,16 K) batas p . (18-6)

gas: 0 p 3

Resepnya menginstruksikan kita untuk mengukur suhu yang tidak diketahui T sebagai berikut: Isi
bohlam termometer dengan jumlah yang berubah-ubah apa saja gas (misalnya,

nitrogen) dan ukur p 3 ( menggunakan sel tiga titik) dan p, tekanan gas pada suhu yang
diukur. (Jaga volume gas tetap sama.) Hitung

perbandingan p / hal 3. Kemudian ulangi kedua pengukuran dengan jumlah gas yang lebih kecil di bohlam,

dan hitung lagi rasio ini. Lanjutkan cara ini, gunakan jumlah yang lebih kecil dan lebih kecil

gas, sampai Anda dapat memperkirakan rasio p / hal 3 yang akan Anda temukan jika
kira-kira tidak ada gas di bohlam. Hitung suhunya T dengan mengganti mantan
rasio terperangkap menjadi Persamaan. 18-6. (Suhu disebut suhu gas ideal.)

* Untuk unit tekanan, kami akan menggunakan unit yang diperkenalkan di Modul 14-1. Satuan SI untuk tekanan
adalah newton per meter persegi, yang disebut pascal (Pa). Pascal terkait dengan satuan tekanan umum lainnya
oleh

1 atm 1.01 10 5 Pa 760 torr 14,7 lb / inci. 2.

518 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

18-2 TIMBANGAN CELSIUS DAN FAHRENHEIT

Tujuan pembelajaran 18.07 Identifikasi bahwa perubahan satu derajat adalah sama di
Skala Celsius dan Kelvin.
Setelah membaca modul ini, Anda seharusnya sudah bisa. . .

18.06 Mengonversi suhu antara dua (linier)
skala suhu, termasuk skala Celsius, Fahrenheit, dan
Kelvin.

Ide Kunci dengan T di kelvin. Skala suhu Fahrenheit ditentukan oleh
● Skala suhu Celcius ditentukan oleh
TF 9 32.
T C T 273.15,
5 TC

Skala Celsius dan Fahrenheit

Sejauh ini, kita hanya membahas skala Kelvin, yang digunakan dalam karya ilmiah
dasar. Di hampir semua negara di dunia, skala Celsius (sebelumnya disebut skala
celcius) adalah skala pilihan untuk penggunaan populer dan komersial serta banyak
penggunaan ilmiah. Suhu Celcius diukur dalam derajat, dan derajat Celcius memiliki
ukuran yang sama dengan kelvin. Namun, skala nol derajat Celcius digeser menjadi a
nilai yang lebih nyaman daripada nol mutlak. Jika T C mewakili suhu Celcius dan T suhu
Kelvin, lalu

T C T 273.15. (18-7)

Dalam menyatakan suhu pada skala Celcius, simbol derajat biasanya digunakan. Jadi,
kita menulis 20,00 C untuk pembacaan Celcius tetapi 293,15 K untuk pembacaan Kelvin.

Skala Fahrenheit, yang digunakan di Amerika Serikat, menggunakan derajat yang lebih kecil
dari skala Celsius dan suhu nol yang berbeda. Anda dapat dengan mudah memverifikasi kedua
perbedaan ini dengan memeriksa termometer ruangan biasa di mana kedua timbangan itu
bertanda. Hubungan antara timbangan Celsius dan Fahrenheit adalah

TF 9 32, (18-8)

5 TC

dimana T F adalah suhu Fahrenheit. Mengubah antara dua skala ini dapat dilakukan dengan
mudah dengan mengingat beberapa poin yang sesuai, seperti pembekuan dan
titik didih air (Tabel 18-1). Gambar 18-7 membandingkan skala Kelvin, Celsius, dan
Fahrenheit.

Triple 273.16 K 0,01 ° C 32,02 ° F Tabel 18-1 Beberapa Suhu yang Sesuai
titik

air

Suhu CF

Mutlak 0K - 273,15 ° C - 459,67 ° F Titik didih air Sebuah 100 212
nol Suhu tubuh normal 37.0 98.6
20 68
Tingkat kenyamanan yang diterima 0 32
18 0
Titik beku air Sebuah 40 40
Nol skala Fahrenheit

Timbangan bertepatan

Gambar 18-7 Skala suhu Kelvin, Celsius, dan Sebuah Tegasnya, titik didih air pada skala Celcius adalah 99,975 C, dan titik
Fahrenheit dibandingkan. bekunya 0,00 C. Dengan demikian, ada sedikit kurang dari 100 C di antara
kedua titik tersebut.

18-2 TIMBANGAN CELSIUS DAN FAHRENHEIT 519

Kami menggunakan huruf C dan F untuk membedakan ukuran dan derajat pada dua
skala tersebut.

0 C 32 F

Berarti 0 pada skala Celsius mengukur suhu yang sama dengan 32 pada skala
Fahrenheit, sedangkan

5C 9F

Berarti perbedaan suhu 5 derajat Celcius (perhatikan simbol derajat yang muncul setelah
C) setara dengan perbedaan suhu 9 derajat Fahrenheit.

Pos pemeriksaan 1 70 ° X 120 ° W 90 ° Y Titik didih
- 20 ° X 30 ° W
Gambar di sini menunjukkan 0°Y Titik beku
tiga skala suhu linier
dengan titik beku dan titik didih
air ditunjukkan. (a) Beri peringkat
derajat pada skala ini
berdasarkan ukuran, yang
terbesar dulu. (b) Beri peringkat
suhu berikut, yang tertinggi dulu:
50 X, 50 W, dan 50 Y.

Contoh Soal 18.01 Konversi antara dua skala suhu Z F
65.0 ° Z
Misalkan Anda menemukan catatan ilmiah kuno yang Mendidih 212 ° F
menjelaskan skala suhu yang disebut Z dengan titik didih air 79.0 Z ° Membekukan 180 F. °
65,0 Z dan titik bekunya 14,0 Z. Berapa suhu pada skala - 14.0 ° Z
Fahrenheit suhu sebesar T 32 ° F
84.0 Z °
98,0 Z sesuai? Asumsikan bahwa skala Z adalah T = –98.0 ° Z T =?
linier; artinya, ukuran derajat Z sama di semua tempat pada
skala Z. Gambar 18-8 Skala suhu tidak diketahui dibandingkan dengan
skala suhu Fahrenheit.
IDE KUNCI
suhu yang sesuai pada skala Fahrenheit. Pada skala Z,
Faktor konversi antara dua skala suhu (linier) dapat dihitung
dengan menggunakan dua suhu (tolok ukur) yang diketahui, perbedaan antara titik didih dan titik beku adalah 65,0 Z
seperti titik didih dan titik beku air. Jumlah derajat antara suhu
yang diketahui pada satu skala setara dengan jumlah derajat di (14,0 Z) 79.0 Z. Di Fahrenheit
antara suhu tersebut pada skala lain.
skala, itu adalah 212 F 32,0 F 180 F. Jadi, perbedaan suhu 79,0 Z
Perhitungan: Kami mulai dengan menghubungkan suhu yang diberikan
setara dengan perbedaan suhu 180 F (Gbr. 18-8), dan kita dapat
T untuk antara suhu yang diketahui pada skala Z. Sejak T
menggunakan rasio (180 F) / (79,0 Z) sebagai faktor konversi kita.
Lebih dekat 98,0 Z dengan titik beku (14,0 Z) dibandingkan dengan titik
didih (65,0 Z), kita menggunakan titik beku. Kemudian kami mencatat Sekarang, sejak T di bawah titik beku sebesar 84,0 Z, itu juga
bahwa file T kami mencari di bawah titik ini sebesar 14,0 Z (98,0 Z) harus di bawah titik beku sebesar

84,0 Z (Gbr. 18-8). (Baca perbedaan ini sebagai (84,0 Z) 180 F. 191 F.
“84,0 Z derajat.”) 79.0 Z

Selanjutnya, kami menyiapkan faktor konversi antara skala Z dan Karena titik beku berada pada 32,0 F, ini berarti
Fahrenheit untuk mengonversi perbedaan ini. Untuk melakukannya,
kami menggunakan kedua suhu yang diketahui pada skala Z dan T 32.0 F 191 F 159 F. (Menjawab)

Contoh tambahan, video, dan praktik tersedia di WileyPLUS

520 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

18-3 EKSPANSI TERMAL

Tujuan pembelajaran

Setelah membaca modul ini, Anda seharusnya sudah bisa. . .

18.08 Untuk ekspansi termal satu dimensi, terapkan rela- ekspansi termal dimensional untuk menemukan perubahan luas.

hubungan antara perubahan suhu T, panjangnya 18.10 Untuk ekspansi termal tiga dimensi, terapkan

perubahan L, panjang awal L, dan koefisien muai panjang Sebuah. hubungan antara perubahan suhu T, vol-

ume berubah V, volume awal V, dan koefisien muai volume b.

18.09 Untuk ekspansi termal dua dimensi, gunakan satu-

Ide Kunci ● Perubahan V. dalam volume V. padat atau cair

● Semua benda berubah ukuran dengan perubahan suhu. Untuk VV b T.
perubahan suhu T, sebuah perubahan L dalam dimensi linier apa pun Sini b 3 Sebuah adalah koefisien muai volume
L diberikan oleh material.

LL Sebuah T,

di mana Sebuah adalah koefisien muai panjang.

Ekspansi termal

Anda sering kali dapat melonggarkan tutup stoples logam yang rapat dengan memegangnya di bawah aliran air
panas. Logam tutup dan gelas toples mengembang saat air panas menambah energi ke atom mereka. (Dengan
energi tambahan, atom dapat bergerak sedikit lebih jauh dari biasanya, melawan gaya antar atom seperti pegas
yang menahan setiap benda padat.) Namun, karena atom dalam logam bergerak lebih jauh dari pada yang ada di
kaca, tutupnya mengembang melebihi toples dan dengan demikian kendor.

Hugh Thomas / BWP Media / Getty Images, Inc. Seperti itu ekspansi termal bahan dengan peningkatan suhu harus diantisipasi
dalam banyak situasi umum. Saat jembatan mengalami perubahan suhu musiman
Gambar 18-9 Ketika Concorde terbang lebih yang besar, misalnya, bagian jembatan dipisahkan oleh slot ekspansi sehingga bagian
cepat dari kecepatan suara, ekspansi termal memiliki ruang untuk berkembang pada hari-hari panas tanpa tekuk jembatan. Ketika
akibat gesekan udara menambah panjang rongga gigi diisi, bahan pengisi harus memiliki sifat ekspansi termal yang sama dengan
pesawat sekitar. gigi di sekitarnya; sebaliknya, mengkonsumsi es krim dingin dan kemudian kopi panas
12,5 cm. (Suhu meningkat menjadi sekitar 128 akan sangat menyakitkan. Ketika pesawat Concorde (Gbr. 18-9) dibangun, desainnya
C di hidung pesawat dan sekitar 90 C di ekor, harus memungkinkan ekspansi termal badan pesawat selama penerbangan
dan jendela kabin terasa hangat saat disentuh.) supersonik karena pemanasan gesekan oleh udara yang lewat.

Gambar 18-10 ( Sebuah) Setrip bimetal, terdiri Sifat ekspansi termal dari beberapa bahan dapat digunakan secara
dari setrip kuningan dan setrip baja umum.Termometer dan termostat mungkin didasarkan pada perbedaan ekspansi
dilas bersama, pada suhu T 0. antara komponen a strip bimetal ( Gambar 18-10). Juga, termometer kaca-kaca yang
sudah dikenal didasarkan pada fakta bahwa cairan seperti merkuri dan alkohol
( b) Strip menekuk seperti yang ditunjukkan pada suhu mengembang ke tingkat yang berbeda (lebih besar) dari wadah kaca mereka.

suhu di atas suhu referensi ini. Di bawah Ekspansi Linear
suhu referensi, strip menekuk ke arah lain. Jika suhu batang logam panjang L dibesarkan dengan suatu jumlah T, panjangnya
Banyak termostat beroperasi berdasarkan
prinsip ini, membuat dan memutus kontak ditemukan meningkat dalam jumlah tertentu
listrik saat suhu naik dan turun.
L L Sebuah T, (18-9)

Kuningan Jumlah yang berbeda T> T 0
ekspansi atau kontraksi ( b)
Baja
T=T0 dapat menghasilkan tekukan.

( Sebuah)

18-3 EKSPANSI TERMAL 521

di mana Sebuah adalah konstanta yang disebut koefisien muai panjang. Koefisien Sebuah Tabel 18-2 Beberapa Koefisien
memiliki satuan "per derajat" atau "per kelvin" dan tergantung pada materialnya Sebuah Ekspansi Linier Sebuah

agak bervariasi dengan suhu, untuk sebagian besar tujuan praktis dapat dianggap Zat Sebuah ( 10 6 / C)
konstan untuk bahan tertentu. Tabel 18-2 menunjukkan beberapa koefisien dari

ekspansi linier Perhatikan bahwa unit C di sana dapat diganti dengan unit K. Es (pada 0 C) 51

Ekspansi termal dari suatu benda padat seperti pembesaran fotografis kecuali dalam tiga Memimpin 29

dimensi. Gambar 18-11 b menunjukkan ekspansi termal (berlebihan) dari penggaris baja. Aluminium 23
Persamaan 18-9 berlaku untuk setiap dimensi linier dari penggaris, termasuk tepi, ketebalan, 19
diagonal, dan diameter lingkaran yang terukir di atasnya dan potongan lubang melingkar di Kuningan 17
dalamnya. Jika cakram yang dipotong dari lubang itu semula pas dengan lubang, ia akan terus 12
terpasang pas jika mengalami kenaikan suhu yang sama dengan penggaris. Tembaga 11
Beton 9

Baja
Kaca (biasa)

Ekspansi Volume Kaca (Pyrex) 3.2
berlian 1.2

Jika semua dimensi benda padat mengembang seiring suhu, volume benda padat Invar b 0.7

tersebut juga harus mengembang. Untuk cairan, ekspansi volume adalah satu-satunya Kuarsa menyatu 0,5

parameter ekspansi yang berarti. Jika suhu padat atau cair yang volumenya V. ditingkatkan Sebuah Nilai suhu kamar kecuali untuk daftar es.
dengan jumlah tertentu T, peningkatan volume ditemukan

V. V. b T, (18-10) b Paduan ini dirancang untuk memiliki koefisien muai yang
rendah. Kata tersebut merupakan kependekan dari "tidak
berubah".

dimana b adalah koefisien muai volume padat atau cair. Koefisien muai panjang dan
muai panjang benda padat dihubungkan dengan

b 3 Sebuah. (18-11)

Cairan yang paling umum, air, tidak berperilaku seperti cairan lainnya. Di atas
sekitar 4 C, air mengembang seiring naiknya suhu, seperti yang kita perkirakan.
Namun, antara 0 dan sekitar 4 C, air kontrak dengan peningkatan suhu. Jadi, pada
sekitar 4 C, massa jenis air melewati batas maksimum, sedangkan pada semua suhu
lainnya, massa jenis air kurang dari nilai maksimum ini.

Perilaku air inilah yang menyebabkan danau membeku dari atas ke bawah, bukan dari bawah
ke atas. Saat air di permukaan didinginkan dari, katakanlah, 10 C menuju titik beku, ia menjadi
lebih padat ("lebih berat") daripada air yang lebih rendah dan tenggelam ke dasar. Di bawah 4 C,
bagaimanapun, pendinginan lebih lanjut membuat air kemudian berada di permukaan
kurang padat ("lebih ringan") dari air bagian bawah, sehingga air tetap berada di permukaan
sampai membeku. Dengan demikian permukaan membeku sementara air bagian bawah masih
cair. Jika danau membeku dari bawah ke atas, es yang terbentuk cenderung tidak akan mencair
sepenuhnya selama musim panas, karena akan diisolasi oleh air di atasnya. Setelah beberapa
tahun, banyak perairan terbuka di zona beriklim sedang di Bumi akan membeku sepanjang tahun
— dan kehidupan akuatik tidak mungkin ada.

Gambar 18-11 Penggaris baja yang sama 1234567
pada dua temperatur yang berbeda, saat
mengembang, skala, jumlah, ketebalan, dan ( Sebuah) Lingkaran Bundar
diameter lingkaran dan lubang lingkaran
semuanya bertambah dengan faktor yang lubang
sama. (Perluasan telah dilebih-lebihkan untuk
kejelasan.) 1234567
( b)

Pos pemeriksaan 2

Gambar di sini menunjukkan empat pelat logam persegi panjang, dengan sisi-sisinya

L, 2 L, atau 3 L. Semuanya terbuat dari bahan yang sama, dan suhunya dinaikkan

dengan jumlah yang sama. Beri peringkat pelat sesuai dengan perkiraan

peningkatan dalam (a) tinggi vertikal dan (b) luasnya, yang terbesar pertama. (1) (2) (3)

(4)

522 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Contoh Soal 18.02 Ekspansi termal suatu volume

Pada hari yang panas di Las Vegas, seorang sopir truk minyak volume bahan bakar juga, seperti yang diberikan oleh Persamaan. 18-10 ( VV b T).

memuat 37.000 L bahan bakar diesel. Dia mengalami cuaca dingin

dalam perjalanan ke Payson, Utah, di mana suhunya 23,0 K lebih

rendah daripada di Las Vegas, dan tempat dia mengirimkan seluruh Perhitungan: Kami menemukan

muatannya. Berapa liter yang dia berikan? Koefisien muai volume V ( 37.000 L) (9,50 10 4 / C) (23,0 K) 808 L.

solar adalah 9,50 10 4 / C, dan koefisien Jadi, jumlah yang dikirimkan pun

ekspansi linier untuk tangki truk bajanya adalah 11 10 6 / C. V. del V. V. 37.000 L 808 L
36 190 L.
IDE KUNCI (Menjawab)

Volume bahan bakar solar tergantung langsung pada suhunya. Perhatikan bahwa ekspansi termal tangki baja tidak ada hubungannya
Jadi, karena suhu menurun, maka dengan masalah tersebut. Pertanyaan: Siapa yang membayar bahan
bakar diesel yang "hilang"?

Contoh tambahan, video, dan praktik tersedia di WileyPLUS

18-4 PENYERAPAN PANAS

Tujuan pembelajaran ubah ke perpindahan panas Q dan kalor jenis zat c dan
massa m.
Setelah membaca modul ini, Anda seharusnya sudah bisa. . . 18.17 Identifikasi tiga fase materi.
18.18 Untuk perubahan fasa suatu zat, hubungkan panasnya
18.11 Identifikasi itu energi termal dikaitkan dengan acak transfer Q, panas transformasi L, dan jumlah massa m berubah.
gerakan benda mikroskopis dalam suatu objek.
18.19 Identifikasi jika perpindahan panas Q mengambil substansi
18.12 Identifikasi itu panas Q adalah jumlah energi yang ditransfer
melintasi suhu perubahan fasa, transfer harus dihitung
(baik ke atau dari energi termal benda) karena perbedaan dalam langkah-langkah: (a) perubahan suhu untuk
suhu antara benda dan lingkungannya. mencapai suhu perubahan fasa, (b) perubahan fasa, dan
18.13 Ubah satuan energi di antara berbagai sistem pengukuran. kemudian (c) setiap perubahan suhu yang memindahkan
18.14 Ubah antara energi mekanik atau listrik dan zat menjauh dari suhu perubahan fase.
energi mal.

18.15 Untuk perubahan suhu T dari suatu substansi, berhubungan

perubahan ke perpindahan panas Q dan kapasitas panas
zat C.
18.16 Untuk perubahan suhu T dari suatu substansi, hubungkan

Ide Kunci ● Kalor jenis molar suatu bahan adalah kapasitas kalor per
mol, yang artinya per 6.02 10 23 unit dasar materi.
● Panas Q adalah energi yang ditransfer antara sistem dan
lingkungannya karena perbedaan suhu di antara keduanya. Ini ● Panas yang diserap oleh suatu material dapat mengubah keadaan
dapat diukur dalam joule (J), kalori (cal), kilokalori (Cal atau kcal), fisik material — misalnya, dari padat menjadi cair atau dari cair menjadi
atau British thermal unit (Btu), dengan gas. Jumlah energi yang dibutuhkan per satuan massa untuk
mengubah keadaan (tetapi bukan suhu) material tertentu adalah kalor
1 kal 3,968 10 3 Btu 4,1868 J. transformasinya L. Jadi,

● Jika panas Q diserap oleh suatu benda, suhu benda tersebut
berubah T f T saya berhubungan dengan Q oleh

QC (T f T saya), Q Lm.

di mana C adalah kapasitas panas benda. Jika benda itu bermassa m, kemudian● Panas penguapan L V. adalah jumlah energi per satuan massa yang harus
ditambahkan untuk menguapkan cairan atau yang harus menjadi

Q cm (T f T saya), dihilangkan untuk mengembunkan gas.

dimana c adalah kalor jenis bahan penyusun objek. ● Panas fusi L F adalah jumlah energi per satuan massa yang harus
ditambahkan untuk melebur padatan atau yang harus dihilangkan

membekukan cairan.

18-4 PENYERAPAN PANAS 523

Suhu dan Panas

Jika Anda mengambil sekaleng cola dari lemari es dan meletakkannya di atas meja dapur,

suhunya akan naik — dengan cepat pada awalnya tetapi kemudian lebih lambat — sampai

suhu cola sama dengan suhu ruangan (keduanya kemudian berada dalam kesetimbangan

termal ). Dengan cara yang sama, suhu secangkir kopi panas, yang dibiarkan di atas meja,

akan turun hingga mencapai suhu kamar juga.

Dalam menggeneralisasikan situasi ini, kami menggambarkan cola atau kopi sebagai a sistem

(dengan suhu T S) dan bagian dapur yang relevan sebagai lingkungan Hidup

(dengan suhu T E) dari sistem itu. Pengamatan kami adalah jika T S tidak sama dengan

T E, kemudian T S akan berubah ( T E juga dapat mengubah beberapa) sampai dua suhu sama dan

dengan demikian kesetimbangan termal tercapai.

Perubahan suhu tersebut disebabkan oleh perubahan energi termal sistem karena

adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan sistem. (Ingat itu energi

termal adalah energi internal yang terdiri dari energi kinetik dan potensial yang terkait

dengan gerakan acak atom, molekul, dan benda mikroskopis lainnya di dalam suatu

benda.) Energi yang ditransfer disebut panas dan dilambangkan Q. Panas positif ketika

energi ditransfer ke energi termal sistem dari lingkungannya (kita katakan bahwa

panas diserap oleh sistem). Panas adalah negatif ketika energi ditransfer dari energi

termal sistem ke lingkungannya (kita mengatakan bahwa panas dilepaskan atau hilang

oleh sistem).

Transfer energi ini ditunjukkan pada Gambar 18-12. Dalam situasi Gambar 18-12 Sebuah,

di mana T S T E, energi ditransfer dari sistem ke lingkungan, jadi

Q negatif. Pada Gambar 18-12 b, di mana T S T E, tidak ada transfer seperti itu, Q aku s

nol, dan panas tidak dilepaskan atau diserap. Pada Gambar 18-12 c, di mana T S T E,

transfer ke sistem dari lingkungan; begitu Q positif.

Lingkungan Hidup TE

Sistem memiliki suhu Sistem . . . itu kalah
yang lebih tinggi, TS energi sebagai panas.
jadi ...
Q
( Sebuah)
T S> T E Q<0

Lingkungan Hidup TE
Q=0
Sistem memiliki Sistem . .e.nteidragki ada
suhu yang sama, TS
ditransfer
jadi ...
sebagai panas.

TS= TE
( b)

Lingkungan Hidup TE
Q> 0
Sistem memiliki suhu Sistem . .k.eiutuntungan
yang lebih rendah, TS energi sebagai
jadi ... panas.
Q
( c) TS< TE

Gambar 18-12 Jika suhu suatu sistem melebihi suhu lingkungannya seperti pada ( Sebuah), panas Q
hilang oleh sistem ke lingkungan sampai kesetimbangan termal ( b) didirikan. ( c) Jika suhu sistem
di bawah suhu lingkungan, panas diserap oleh sistem sampai kesetimbangan termal tercapai.

524 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Kami kemudian diarahkan ke definisi panas ini:

Panas adalah energi yang ditransfer antara sistem dan lingkungannya karena perbedaan
suhu yang ada di antara mereka.

Bahasa. Ingatlah bahwa energi juga dapat ditransfer antara sistem dan lingkungannya
sebagai kerja melalui gaya yang bekerja pada sistem. Panas dan kerja, tidak seperti suhu,
tekanan, dan volume, bukanlah sifat intrinsik dari suatu sistem. Mereka memiliki arti hanya
karena mereka menggambarkan transfer energi ke dalam atau keluar dari suatu sistem.
Demikian pula, frase "transfer $ 600" memiliki arti jika menjelaskan transfer ke atau dari
akun, bukan apa yang ada di akun, karena akun menyimpan uang, bukan transfer.

Unit. Sebelum para ilmuwan menyadari bahwa panas adalah energi yang
ditransfer, panas diukur dari kemampuannya untuk menaikkan suhu air. Jadi,
kalori ( kal) didefinisikan sebagai jumlah panas yang akan menaikkan suhu 1 g air dari
14,5 C menjadi 15,5 C.Dalam sistem Inggris, satuan panas yang sesuai adalah Satuan
termal Inggris ( Btu), didefinisikan sebagai jumlah panas yang akan menaikkan suhu 1
lb air dari 63 F menjadi 64 F.

Pada tahun 1948, komunitas ilmiah memutuskan bahwa karena panas (seperti kerja) adalah
energi yang ditransfer, maka satuan SI untuk panas haruslah yang kita gunakan untuk energi—
yaitu, Joule. Kalori sekarang ditetapkan menjadi 4,1868 J (tepatnya), tanpa mengacu pada
pemanasan air. ("Kalori" yang digunakan dalam nutrisi, kadang-kadang disebut Kalori (Kal),
sebenarnya adalah kilokalori.) Hubungan di antara berbagai satuan panas adalah

1 kal 3.968 10 3 Btu 4. 1868 J. (18-12)

Penyerapan Panas oleh Padatan dan Cairan

Kapasitas Panas

Itu kapasitas panas C sebuah benda adalah konstanta proporsionalitas antara kalor

Q bahwa benda tersebut menyerap atau kehilangan dan suhu yang dihasilkan berubah T dari

objek; itu adalah,

Q CT C (T f T saya), (18-13)

di mana T saya dan T f adalah suhu awal dan akhir benda. Kapasitas panas C memiliki
satuan energi per derajat atau energi per kelvin. Panasnya

kapasitas C dari, katakanlah, lempengan marmer yang digunakan dalam penghangat sanggul mungkin 179 kal / C, yang

juga bisa kita tulis sebagai 179 kal / K atau 749 J / K.

Kata “kapasitas” dalam konteks ini sangat menyesatkan karena mengisyaratkan analogi
dengan kapasitas sebuah ember untuk menampung air. Analogi itu salah, dan Anda tidak boleh
menganggap objek sebagai "mengandung" panas atau dibatasi kemampuannya untuk menyerap
panas. Perpindahan panas dapat berlangsung tanpa batas selama perbedaan suhu yang
diperlukan dipertahankan. Objek dapat, tentu saja, meleleh atau menguap selama proses.

Panas Spesifik

Dua benda yang terbuat dari bahan yang sama — misalnya marmer — akan memiliki kapasitas panas
yang sebanding dengan massanya. Oleh karena itu, lebih mudah untuk menentukan "kapasitas panas per
satuan massa" atau panas jenis c yang mengacu bukan pada suatu benda tetapi pada satuan massa
bahan dari mana benda itu dibuat. Persamaan 18-13 kemudian menjadi

Q cm T cm (T f T saya). (18-14)

Melalui percobaan kita akan menemukan bahwa meskipun kapasitas panas dari lempengan
marmer tertentu mungkin 179 kal / C (atau 749 J / K), kalor jenis marmer itu sendiri (dalam
lempengan itu atau benda marmer lainnya) adalah 0,21 kal / g C (atau 880 J / kg K).

18-4 PENYERAPAN PANAS 525

Dari cara kalori dan satuan termal Inggris awalnya ditentukan, kalor jenis air Tabel 18-3 Beberapa Pemanasan Khusus
ditentukan dan Pemanasan Khusus Molar pada Suhu
Kamar
c 1 kal / g C. 1 Btu / lb F 4186,8 J / kg K. (18-15)

Tabel 18-3 menunjukkan kalor spesifik beberapa zat pada suhu kamar. Perhatikan Panas Spesifik Geraham
bahwa nilai air relatif tinggi. Panas jenis suatu zat sebenarnya agak bergantung pada kal J
suhu, tetapi nilai pada Tabel 18-3 berlaku cukup baik dalam kisaran suhu yang g K kg K Spesifik
mendekati suhu kamar. Panas

Zat J
mol K
Elemental
Pos pemeriksaan 3 0,0305 128 26.5
Padatan
Panas dalam jumlah tertentu Q akan menghangatkan 1 g bahan SEBUAH dengan 3 C dan 1 g bahan B
oleh 4 C. Bahan apa yang memiliki panas jenis lebih besar? Memimpin

Tungsten 0,0321 134 24.8
Perak
Tembaga 0.0564 236 25.5
Aluminium
Panas Spesifik Molar 0,0923 386 24.5
Padatan Lainnya
Dalam banyak kasus, satuan yang paling sesuai untuk menentukan jumlah suatu zat 0.215 900 24.4
adalah mol (mol), di mana Kuningan

1 mol 6.02 10 23 unit dasar Granit 0,092 380
Kaca 0.19 790
dari apa saja zat. Jadi 1 mol aluminium berarti 6,02 10 23 atom (atom adalah Es (10 C) 0.20 840
Cairan 0,530 2220
satuan dasar), dan 1 mol berarti aluminium oksida 6,02 (molekul 10 23 molekul Air raksa
Etil
adalah satuan dasar senyawa).
alkohol
Jika kuantitas dinyatakan dalam mol, kalor spesifik juga harus melibatkan mol Air laut 0,033 140
air
(bukan satuan massa); mereka kemudian dipanggil panas spesifik molar. 0,58 2430
0.93 3900
Tabel 18-3 menunjukkan nilai beberapa unsur padat (masing-masing terdiri dari satu 1.00 4187

unsur) pada suhu kamar.

Poin Penting

Dalam menentukan dan kemudian menggunakan kalor jenis suatu zat, kita perlu
mengetahui kondisi di mana energi ditransfer sebagai kalor. Untuk padatan dan
cairan, kami biasanya mengasumsikan bahwa sampel berada di bawah tekanan
konstan (biasanya atmosfer) selama transfer. Dapat juga dibayangkan bahwa sampel
dipertahankan pada volume konstan sementara panas diserap. Ini berarti bahwa
ekspansi termal sampel dicegah dengan menerapkan tekanan eksternal. Untuk
padatan dan cairan, ini sangat sulit untuk diatur secara eksperimental, tetapi efeknya
dapat dihitung, dan ternyata panas spesifik di bawah tekanan konstan dan volume
konstan untuk padatan atau cairan biasanya berbeda tidak lebih dari beberapa persen.
Gas, seperti yang akan Anda lihat,

Heats of Transformation

Ketika energi diserap sebagai panas oleh benda padat atau cair, suhu sampel tidak
selalu meningkat. Sebaliknya, sampel dapat berubah dari satu tahap, atau negara,
ke yang lainnya. Materi dapat berada dalam tiga kondisi umum: Dalam keadaan padat, molekul
sampel dikunci ke dalam struktur yang cukup kaku oleh daya tarik timbal baliknya. Dalam keadaan
cair, molekul memiliki lebih banyak energi dan bergerak lebih banyak. Mereka mungkin
membentuk kelompok singkat, tetapi sampel tidak memiliki struktur yang kaku dan dapat
mengalir atau mengendap ke dalam wadah. Dalam gas, atau uap, negara bagian, molekul memiliki
lebih banyak energi, bebas satu sama lain, dan dapat memenuhi volume penuh wadah.

Pencairan. Untuk mencair padatan berarti mengubahnya dari keadaan padat ke keadaan
cair. Proses ini membutuhkan energi karena molekul padat harus dibebaskan dari strukturnya
yang kaku. Melebur es batu untuk membentuk air cair adalah contoh yang umum. Untuk membekukan
cairan untuk membentuk padatan adalah kebalikan dari peleburan dan membutuhkan energi yang
dikeluarkan dari cairan, sehingga molekul dapat mengendap menjadi struktur yang kaku.

526 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Tabel 18-4 Beberapa Panas Transformasi

Zat Titik lebur (K) Pencairan Titik didih (K) Mendidih

Hidrogen 14.0 Panasnya Fusion L F ( kJ / kg) 20.3 Panas Penguapan L V ( kJ / kg)
Oksigen 54.8 90.2
Air raksa 234 58.0 630 455
air 273 13.9 373 213
601 11.4 2017 296
Memimpin 1235 333 2323 2256
1356 23.2 2868 858
Perak 105 2336
Tembaga 207 4730

Menguap. Untuk menguapkan cairan berarti mengubahnya dari bentuk cair ke
bentuk uap (gas). Proses ini, seperti peleburan, membutuhkan energi karena molekul
harus dibebaskan dari gugusnya. Air mendidih cair untuk mentransfernya menjadi uap
air (atau uap — gas dari molekul air individu) adalah contoh umum. Kondensasi gas
untuk membentuk cairan adalah kebalikan dari penguapan; ia membutuhkan energi
yang dikeluarkan dari gas, sehingga molekul dapat mengelompok alih-alih terbang
menjauh satu sama lain.

Jumlah energi per satuan massa yang harus ditransfer sebagai panas ketika
sampel benar-benar mengalami perubahan fasa disebut panas transformasi
L. Jadi, saat sampel bermassa m benar-benar mengalami perubahan fasa, energi total yang
ditransfer adalah

Q Lm. (18-16)

Ketika perubahan fasa dari cair ke gas (maka sampel harus menyerap panas) atau dari
gas ke cair (maka sampel harus melepaskan panas), panas transfor-
mation disebut panas penguapan L V. Untuk air pada suhu didih atau kondensasi
normal,

L V. 539 kal / g 40,7 kJ / mol 2256 kJ / kg. (18-17)

Ketika perubahan fasa dari padat ke cair (maka sampel harus menyerap panas) atau
dari cair ke padat (maka sampel harus melepaskan panas), panas
transformasi disebut panas fusi L F. Untuk air pada suhu beku atau leleh normal,

L F 79,5 kal / g 6,01 kJ / mol 333 kJ / kg. (18-18)
Tabel 18-4 menunjukkan kalor transformasi untuk beberapa zat.

Contoh Soal 18.03 Siput panas dalam air, mencapai kesetimbangan

Siput tembaga yang massanya m c 75 g dipanaskan dalam oven dapat terjadi. (2) Karena tidak ada sistem yang mengalami
perubahan fasa, transfer energi panas hanya dapat mengubah
laboratorium sampai suhu T dari 312 ° C. Siput itu kemudian dijatuhkan suhu.

menjadi gelas kimia berisi massa m w 220 g air.

Kapasitas panas C b dari gelas kimia tersebut adalah 45 kal / K. Inisial

suhu T saya air dan gelas kimia adalah 12 ° C. Dengan asumsi bahwa Perhitungan: Untuk menghubungkan transfer dengan perubahan suhu, kita dapat
menggunakan Persamaan. 18-13 dan 18-14 untuk menulis
siput, gelas kimia, dan air adalah sistem yang terisolasi dan

air tidak menguap, cari suhu akhir T f dari kesetimbangan termal untuk air: Q w c m Tw w ( f T saya); (18-19)
(18-20)
sistemat. untuk gelas kimia: Q b Cb( Tf T saya); (18-21)

untuk tembaga: Q c c c m c ( T f T).

GAGASAN KUNCI Karena energi total sistem tidak dapat berubah, jumlah dari
ketiga transfer energi ini adalah nol:
(1) Karena sistem terisolasi, energi total sistem tidak dapat
berubah dan hanya transfer internal energi panas Q w Q b Q c 0. (18-22)

18-4 PENYERAPAN PANAS 527

SubstitutingEqs. 18-19 sampai 18-21 ke Persamaan. 18-22 hasil dan penyebutnya

c w m w ( T f T saya) C b ( T f T saya) c c m c ( T f T) 0. (18-23) (1,00 kal / g K) (220 g) 45 kal / K.
(0,0923 kal / g K) (75 g)
Suhu terkandung dalam Persamaan. 18-23 hanya sebagai 271,9 kal / C.
perbedaan. Jadi, karena perbedaan skala Celsius dan Kelvin identik, Kami kemudian memiliki
kita dapat menggunakan salah satu skala tersebut dalam hal ini (Menjawab)
T f 5339,8 kal 19.6 C 20 C.
persamaan. Memecahkannya untuk T f, kami dapatkan
271,9 kal / C
c c m c T C b T saya c w m w T i.
Tf Dari data yang diberikan, Anda dapat menunjukkannya

cwmw Cb ccmc

Menggunakan suhu Celsius dan menghitung nilai c c dan c w Q w 1670 kal, Q b 342 kal, Qc 2020 kal.
Dari Tabel 18-3, kita menemukan pembilangnya

(0,0923 kal / g K) (75 g) (312 C) (45 kal / K) (12 C) Terlepas dari kesalahan pembulatan, jumlah aljabar dari ketiga
perpindahan panas ini memang nol, seperti yang disyaratkan oleh
(1,00 kal / g K) (220 g) (12 C) 5339,8 kal, kekekalan energi (Persamaan 18-22).

Contoh Soal 18.04 Panas untuk mengubah suhu dan status

(a) Berapa banyak panas yang harus diserap oleh massa es m Q c m (T3 liq f T saya)

720 g pada 10 C untuk membawanya ke keadaan cair pada 15 C? (4186,8 J / kg K) (0,720 kg) (15 C. 0 ° C)

GAGASAN KUNCI 45 217 J 45,22 kJ.

Proses pemanasan dilakukan dalam tiga langkah: (1) Es tidak Total: Total panas yang dibutuhkan Q tot adalah jumlah dari jumlah yang
dapat mencair pada suhu di bawah titik beku — jadi awalnya,
energi apa pun yang ditransfer ke es sebagai panas hanya dapat dibutuhkan dalam tiga langkah:
meningkatkan suhu es, hingga tercapai 0 C. (2) Suhu kemudian
tidak dapat meningkat sampai semua es mencair — jadi energi Q tot Q 1 Q 2 Q 3
apa pun yang ditransfer ke es sebagai panas sekarang hanya
dapat mengubah es menjadi air cair, sampai semua es mencair. 15,98 kJ 239,8 kJ 45,22 kJ
(3) Sekarang energi ditransfer ke air cair sebagai panas hanya
dapat meningkatkan suhu air cair. 300 kJ. (Menjawab)

Perhatikan bahwa sebagian besar energi mencairkan es
daripada menaikkan suhu.

(b) Jika kita memasok es dengan energi total hanya 210 kJ
(sebagai panas), berapakah keadaan akhir dan suhu air?

Menghangatkan es: Panasnya Q 1 perlu mengambil es dari awal T

saya 10 C menuju final T f 0 C (jadi es IDE KUNCI
cm T). Menggunakan
kemudian bisa meleleh) diberikan oleh Persamaan. 18-14 ( Q

panas spesifik es c Es inTabel 18-3 memberi kita Dari langkah 1, kita tahu bahwa dibutuhkan 15,98 kJ untuk

Q c m (T1 Es menaikkan suhu es ke titik leleh. Yang tersisa

f T saya) panas Q rem kemudian 210 kJ 15,98 kJ, atau sekitar 194 kJ. Dari

(2220 J / kg K) (0,720 kg) [0 C. (10 C)] Langkah 2, kita dapat melihat bahwa jumlah panas ini tidak

15984 J 15,98 kJ. cukup untuk melelehkan semua es. Karena pencairan es tidak

sempurna, kita harus berakhir dengan campuran es dan cairan;

Mencairkan es: Panasnya Q 2 diperlukan untuk mencairkan semua es yang diberikan oleh suhu campuran harus titik beku, 0 C.

Persamaan. 18-16 ( Q Lm). Sini L adalah panas fusi Perhitungan: Kita bisa temukan massanya m es yang dicairkan oleh energi yang

L F, dengan nilai yang diberikan dalam Persamaan. 18-18 dan Tabel 18-4. Kami menemukan tersedia Q rem dengan menggunakan Persamaan. 18-16dengan L F:

Q 2 L F m (333 kJ / kg) (0,720 kg) 239,8 kJ. Q rem 194 kJ 0,583 kg 580 g.
m 333 kJ / kg
Pemanasan cairan: Panasnya Q 3 diperlukan untuk
LF

meningkatkan suhu air dari nilai awal T saya 0 C sampai Jadi, massa es yang tersisa adalah 720 g 140 g, dan 580 g, atau
kita punya
nilai akhir T f 15 C diberikan oleh Persamaan. 18-14 (dengan spesifikasi

panas cific dari air cair c liq): 580 g air dan 140 g es, pada 0 C. (Menjawab)

Contoh tambahan, video, dan praktik tersedia di WileyPLUS

528 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

18-5 HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Tujuan pembelajaran 18.25 Identifikasi tanda aljabar dari perpindahan panas Q itu adalah

Setelah membaca modul ini, Anda seharusnya sudah bisa. . . terkait dengan transfer ke gas dan transfer dari gas.

18.20 Jika gas tertutup mengembang atau mengerut, hitung 18.26 Identifikasi bahwa energi internal E int gas
kerja W dilakukan oleh gas dengan mengintegrasikan tekanan gas
dengan memperhatikan volume selungkup. cenderung meningkat jika perpindahan panasnya untuk gas,

18.21 Identifikasi tanda aljabar pekerjaan W berkaitan dengan dan cenderung menurun jika gas bekerja di
ekspansi dan kontraksi gas. lingkungannya.

18.22 Diberikan a pV grafik tekanan versus volume untuk a 18.27 Identifikasi bahwa dalam proses adiabatik dengan gas, di sana
proses, mengidentifikasi titik awal (keadaan awal) dan titik akhir tidak ada perpindahan panas Q dengan lingkungan.
(keadaan akhir) dan menghitung pekerjaan dengan
menggunakan integrasi grafis. 18.28 Identifikasi bahwa dalam proses volume konstan dengan gas,
tidak ada pekerjaan W dilakukan dengan gas.
18.23 Pada suatu pV grafik tekanan versus volume untuk gas,
mengidentifikasi tanda aljabar pekerjaan yang terkait dengan 18.29 Identifikasi bahwa dalam proses siklus dengan gas, ada
proses berjalan kanan dan proses berjalan kiri.
tidak ada perubahan bersih dalam energi internal E int.
18.24 Terapkan hukum pertama termodinamika untuk menghubungkan 18.30 Identifikasi bahwa dalam ekspansi bebas dengan gas, panasnya

perubahan energi internal E int gas, energi Q transfer Q, kerja selesai W, dan perubahan energi internal

ditransfer sebagai panas ke atau dari gas, dan pekerjaan W E int masing-masing nol.

dilakukan dengan atau dengan gas.

Ide Kunci

● Agasmay bertukar energi dengan lingkungannya melalui kerja. Jumlah tekanan, dan volume). Q mewakili energi yang dipertukarkan
pekerjaan W selesai oleh gas saat mengembang atau mengerut sebagai panas antara sistem dan lingkungannya; Q bernilai positif
dari volume awal V. saya ke volume akhir V. f diberikan oleh jika sistem menyerap panas dan negatif jika sistem kehilangan
panas. W apakah pekerjaan sudah selesai oleh sistem; W bernilai
Vf positif jika sistem mengembang melawan gaya eksternal dari
sekitarnya dan negatif jika sistem berkontraksi karena gaya
W dW p dV. eksternal.

Vi

Integrasi diperlukan karena adanya tekanan p mungkin berbeda ● Q dan W bergantung pada jalan; E int adalah jalur independen.
selama perubahan volume.
● Hukum pertama termodinamika dapat diterapkan dalam beberapa
● Prinsip kekekalan energi untuk proses termodinamika kasus khusus:
dinyatakan dalam hukum pertama termodinamika, yang dapat
mengambil salah satu bentuk Q 0, E int W

E int E int, f QW proses adiabatik:
dE int
E int, saya (hukum pertama)

atau dQ dW proses volume konstan: W 0, E int Q

(hukum pertama).

E int mewakili energi internal material, proses siklus: E int 0, QW
yang hanya bergantung pada keadaan material (suhu,
ekspansi gratis: QW E int 0

Melihat Lebih Dekat pada Panas dan Pekerjaan

Di sini kita melihat secara rinci bagaimana energi dapat ditransfer sebagai panas dan
bekerja antara sistem dan lingkungannya. Mari kita ambil sebagai sistem kita sebuah gas
yang dibatasi pada silinder dengan piston yang dapat digerakkan, seperti pada Gambar
18-13. Gaya ke atas pada piston karena tekanan dari confined gas sama dengan berat dari
lead shot yang dimuat ke atas piston. Dinding silinder terbuat dari bahan isolasi yang tidak
memungkinkan adanya perpindahan energi sebagai panas. . Bagian bawah silinder
bertumpu pada reservoir untuk energi panas, a reservoir termal ( mungkin piring panas) yang
suhunya T Anda dapat mengontrol dengan memutar kenop.

Sistem (gas) dimulai dari sebuah keadaan awal i, dijelaskan oleh tekanan p saya,
sebuah volume V. saya, dan suhu T saya. Anda ingin mengubah sistem menjadi terakhir
negara f, dijelaskan oleh tekanan p f, sebuah volume V. f, dan suhu T f. Prosedur yang Anda
gunakan untuk mengubah sistem dari keadaan awal ke keadaan akhirnya adalah

disebut a proses termodinamika. Selama proses seperti itu, energi dapat ditransformasikan.

18-5 HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA 529

dimasukkan ke dalam sistem dari reservoir termal (panas positif) atau sebaliknya (panas negatif). Isolasi Gas bekerja pada
Juga, pekerjaan dapat dilakukan oleh sistem untuk menaikkan piston yang dibebani (kerja positif) piston ini.
atau menurunkannya (kerja negatif). Kami berasumsi bahwa semua perubahan tersebut terjadi
secara perlahan, dengan hasil bahwa sistem selalu dalam (perkiraan) kesetimbangan termal Tembakan memimpin
(setiap bagian selalu dalam kesetimbangan termal).
W
Misalkan Anda melepaskan beberapa tembakan utama dari piston pada Gbr. 18-13,
yang memungkinkan gas untuk mendorong piston dan sisa tembakan ke atas melalui

perpindahan d:siferensial d dengan gaya keF:atas. Karena perpindahannya kecil, kita dapat
::

mengasumsikannya F konstan selama perpindahan. Kemudian F memiliki besaran yang sama
dengan pA, dimana p adalah tekanan gas dan SEBUAH adalah area muka piston. Pekerjaan
diferensial dW dilakukan oleh gas selama perpindahan tersebut

dW F: ds: ( pA) (ds) p (A ds) Q
p dV, T
(18-24) Reservoir termal
Tombol kontrol

di mana dV adalah perbedaan perubahan volume gas akibat pergerakan piston. Ketika Kami mengontrol perpindahan
Anda telah melepaskan tembakan yang cukup untuk memungkinkan gas panas dengan menyesuaikan suhu.

ubah volumenya dari V. saya untuk V. f, total pekerjaan yang dilakukan oleh gas tersebut Gambar 18-13 Gas dibatasi pada silinder dengan
piston yang dapat digerakkan. Panas Q dapat
Vf ditambahkan atau ditarik dari gas dengan
mengatur suhu T dari reservoir termal yang dapat
W dW p dV. (18-25) disesuaikan W bisa dilakukan dengan gas dengan
menaikkan atau menurunkan piston.
Vi

Selama perubahan volume, tekanan dan suhu juga dapat berubah. Untuk mengevaluasi
Persamaan. 18-25 secara langsung, kita perlu mengetahui bagaimana tekanan bervariasi dengan
volume untuk proses aktual di mana sistem berubah dari keadaan saya untuk menyatakan f.

Satu Jalan. Sebenarnya ada banyak cara untuk mengeluarkan gas dari keadaan saya untuk menyatakan f.

Salah satu caranya ditunjukkan pada Gambar 18-14 Sebuah, yang merupakan plot tekanan gas versus
volumenya dan yang disebut a pV diagram. Pada Gambar 18-14 Sebuah, kurva menunjukkan bahwa

Gas bergerak dari saya untuk f, Ini masih berlangsung dari saya untuk f, SEBUAH
melakukan pekerjaan yang positif.
tapi sekarang sudah lebih Ini masih berlangsung dari saya untuk f,
tapi sekarang sudah kurang
kerja.
kerja.
Gambar 18-14 ( Sebuah) Area yang
saya
diarsir mewakili pekerjaan W saya saya

dilakukan oleh sistem saat Proses Sebuah

berjalan dari keadaan awal saya ke Tekanan
Tekanan
keadaan akhir f. Kerja W positif Tekanan
f W> 0 f f

karena volume sistem W> 0 W> 0
Volume Volume
meningkat. ( b) W masih positif, ( b) 0 Volume ( c) 0
0( Sebuah)

tapi sekarang lebih besar. ( c) W masih

positif, tapi sekarang lebih kecil.

( d) W Bersepeda searah jarum jam
menghasilkan kerja jaringan
bisa lebih kecil lagi (path Kami dapat mengontrol Pindah dari f untuk saya, yang positif.
seberapa banyak pekerjaan yang dilakukannya. itu melakukan pekerjaan negatif.
icdf) atau lebih besar (jalur ighf).
gh
( e) Di sini sistem beralih dari

status f untuk menyatakan saya karena

gas dikompresi ke volume yang

lebih kecil oleh gaya eksternal W selesai

oleh saya saya

sistem sekarang negatif. saya W bersih> 0

f
cd

Volume
( f) Jaringan W bersih dilakukan Tekanan
Tekanan
oleh sistem selama Tekananf f

siklus lengkap diwakili oleh W<0
Volume
area yang diarsir. ( d) 0 ( e) 0 ( f) 0 Volume

530 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

tekanan menurun saat volume meningkat. Integral dalam Persamaan. 18-25 (dan dengan
demikian karya tersebut W dilakukan oleh gas) diwakili oleh area yang diarsir di bawah kurva antar
titik saya dan f. Terlepas dari apa sebenarnya yang kami lakukan untuk mengambil gas di
sepanjang kurva, pekerjaan itu positif, karena fakta bahwa gas meningkatkan volumenya dengan
memaksa piston naik.

Jalan Lain. Cara lain untuk keluar dari negara bagian saya untuk menyatakan f ditunjukkan pada Gambar 18-14 b. Di

sana, perubahan terjadi dalam dua langkah — yang pertama dari status saya untuk menyatakan Sebuah, dan yang kedua

dari negara bagian Sebuah untuk menyatakan f.

Langkah ia proses ini dilakukan pada tekanan konstan, yang berarti bahwa Anda
membiarkan tembakan utama yang berjalan di atas piston tidak terganggu pada Gbr. 18-13.
Anda menyebabkan volume meningkat (dari V. saya untuk V. f) dengan memutar kenop
pengatur suhu secara perlahan, menaikkan suhu gas ke nilai yang lebih tinggi
T Sebuah. ( Peningkatan suhu akan meningkatkan gaya dari gas pada piston, menggerakkannya
ke atas.) Selama langkah ini, kerja positif dilakukan oleh gas yang mengembang.
(untuk mengangkat piston yang dibebani) dan panas diserap oleh sistem dari reservoir
termal (sebagai respons terhadap perbedaan suhu yang sangat kecil yang Anda buat
saat Anda menaikkan suhu). Panas ini positif karena ditambahkan ke sistem.

Langkah af dari proses Gambar 18-14 b dilakukan pada volume konstan, jadi Anda harus
mengganjal piston, mencegahnya bergerak. Kemudian saat Anda menggunakan kenop
kontrol untuk menurunkan suhu, Anda menemukan bahwa tekanan turun dari
p Sebuah ke nilai akhirnya p f. Selama langkah ini, panas hilang oleh sistem ke reservoir
termal.

Untuk proses keseluruhan iaf, pekerjaan W, yang positif dan hanya dilakukan selama
langkah ia, diwakili oleh area berbayang di bawah kurva. Energi ditransfer sebagai panas
selama kedua langkah ia dan af, dengan transfer energi bersih Q.

Langkah Terbalik. Gambar 18-14 c menunjukkan proses di mana dua langkah sebelumnya
dilakukan dalam urutan terbalik. Pekerjaan W dalam hal ini lebih kecil dari pada Gambar 18-14 b, seperti
panas bersih yang diserap. Gambar 18-14 d menyarankan bahwa Anda dapat membuat pekerjaan yang
dilakukan oleh gas sekecil yang Anda inginkan (dengan mengikuti jalur seperti icdf) atau sebesar yang
Anda inginkan (dengan mengikuti jalur seperti ighf).

Singkatnya: Sebuah sistem dapat diambil dari keadaan awal tertentu ke keadaan akhir
tertentu dengan jumlah proses yang tak terbatas. Panas mungkin terlibat atau tidak, dan secara
umum, pekerjaan W dan panasnya Q akan memiliki nilai yang berbeda untuk proses yang berbeda.
Kita katakan panas dan kerja adalah bergantung pada jalan jumlah.

Pekerjaan Negatif. Gambar 18-14 e menunjukkan contoh di mana pekerjaan negatif
dilakukan oleh sistem karena beberapa gaya eksternal menekan sistem, mengurangi
volumenya. Nilai absolut dari pekerjaan yang dilakukan masih sama dengan luas di bawah
kurva, tetapi karena gasnya adalah terkompresi, pekerjaan yang dilakukan oleh gas itu
negatif.

Siklus. Gambar 18-14 f menunjukkan a siklus termodinamika di mana sistem diambil dari
beberapa keadaan awal saya ke beberapa negara bagian lain f dan kemudian kembali ke saya. Kerja
bersih yang dilakukan oleh sistem selama siklus adalah jumlah dari positif pekerjaan yang
dilakukan selama ekspansi dan negatif pekerjaan dilakukan selama kompresi. Pada Gambar 18-14 f,
kerja bersihnya positif karena area di bawah kurva ekspansi ( saya untuk f) lebih besar dari area di
bawah kurva kompresi ( f untuk saya).

Pos pemeriksaan 4 p Sebuah
b
Itu pV Diagram di sini menunjukkan enam jalur lengkung d c
f e
(dihubungkan dengan jalur vertikal) yang dapat diikuti oleh
sebuah gas. Dua jalur lengkung mana yang harus menjadi
bagian dari siklus tertutup (jalur lengkung tersebut ditambah
jalur vertikal penghubung) jika kerja jaringan dilakukan oleh
gas selama siklus berada pada nilai positif maksimumnya?

V.

18-5 HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA 531

Hukum Pertama Termodinamika

Anda baru saja melihat bahwa ketika sistem berubah dari keadaan awal tertentu ke keadaan akhir

tertentu, keduanya bekerja W dan panasnya Q tergantung pada sifat prosesnya. Namun secara

eksperimental, kami menemukan hal yang mengejutkan. Kuantitas Q 2 W sama untuk semua

proses. Itu hanya bergantung pada status awal dan akhir dan tidak bergantung sama sekali pada

bagaimana sistem berpindah dari satu ke yang lain. Semua kombinasi lainnya dari Q dan W, termasuk

Q sendirian, W sendirian, Q W, dan Q 2 W, adalah

tergantung jalan; hanya kuantitasnya Q W tidak.

Kuantitas Q W harus mewakili perubahan dalam beberapa properti intrinsik

sistem. Kami menyebut properti ini sebagai energi internal E int dan kami menulis

E int E int, f E int, saya Q W (hukum pertama). (18-26)

Persamaan 18-26 adalah hukum pertama termodinamika. Jika sistem termodinamika hanya mengalami
perubahan diferensial, kita dapat menuliskan hukum pertama sebagai *

dE int dQ dW (hukum pertama). (18-27)

Energi internal E int suatu sistem cenderung meningkat jika energi ditambahkan sebagai panas Q
dan cenderung menurun jika energi hilang sebagai pekerjaan W dilakukan oleh sistem.

Dalam Bab 8, kita membahas prinsip kekekalan energi yang diterapkan pada sistem terisolasi

— yaitu, pada sistem di mana tidak ada energi yang masuk atau keluar dari sistem. Hukum

pertama termodinamika adalah perpanjangan dari prinsip tersebut ke sistem yang ada tidak terpencil.

Dalam kasus seperti itu, energi dapat ditransfer masuk atau keluar dari sistem sebagai salah satu

pekerjaan W atau panas Q. Dalam pernyataan kami tentang hukum pertama termodinamika di atas,

kami berasumsi bahwa tidak ada perubahan dalam energi kinetik atau energi potensial sistem

secara keseluruhan; itu adalah, K U 0.

Aturan. Sebelum bab ini, istilahnya kerja dan simbolnya W selalu berarti pekerjaan selesai di sebuah

sistem. Namun, dimulai dengan Persamaan. 18-24 dan melanjutkan melalui dua bab berikutnya

tentang termodinamika, kami fokus pada pekerjaan yang telah diselesaikan oleh sistem, seperti

gas pada Gambar 18-13.

Pekerjaan selesai di sebuah sistem selalu merupakan hasil negatif dari pekerjaan yang dilakukan oleh itu

sistem, jadi jika kita menulis ulang Persamaan. 18-26 dalam hal pekerjaan W di selesai di sistem,

kita punya E int Q W di. Ini memberitahu kita hal-hal berikut: Energi internal a

sistem cenderung meningkat jika panas diserap oleh sistem atau jika kerja positif meningkat

selesai di sistem. Sebaliknya, energi internal cenderung berkurang jika panas hilang
oleh sistem atau jika kerja negatif dilakukan di sistem.

Pos pemeriksaan 5 p

Gambar di sini menunjukkan empat jalur pada a pV diagram di mana 4
gas dapat diambil dari keadaan saya untuk menyatakan f.
saya 3
Beri peringkat jalur menurut (a) perubahannya E int di
energi internal gas, (b) pekerjaan W selesai 2
oleh gas, dan (c) besarnya energi yang ditransfer sebagai
panas Q antara gas dan lingkungannya, yang terbesar dulu. 1f

V.

* Sini dQ dan dW, tidak seperti dE int, bukanlah perbedaan yang sebenarnya; Artinya, tidak ada fungsi seperti
Q (p, V) dan W (p, V) yang hanya bergantung pada status sistem. Kuantitasnya dQ dan dW adalah
dipanggil perbedaan yang tidak tepat dan biasanya diwakili oleh simbol d̄Q dan dW̄ . Untuk tujuan kita, kita dapat
memperlakukannya sebagai transfer energi yang sangat kecil.

532 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Kami perlahan-lahan menghapus Beberapa Kasus Khusus dari Hukum Pertama Termodinamika
tembakan timah, memungkinkan ekspansi
tanpa perpindahan panas apa pun. Berikut empat proses termodinamika yang dirangkum dalam Tabel 18-5.

Tembakan memimpin 1. Proses adiabatik. Proses adiabatik adalah proses yang terjadi begitu cepat atau terjadi di
sebuah sistem yang terisolasi dengan baik tidak ada transfer energi sebagai panas terjadi antara
W sistem dan lingkungannya Q 0 dalam hukum pertama (Persamaan 18-26) menghasilkan

Isolasi E int W (proses adiabatik). (18-28)
Gambar 18-15 Ekspansi adiabatik dapat dilakukan
dengan melepaskan tembakan timah secara perlahan Ini memberi tahu kita bahwa jika pekerjaan selesai oleh sistem (yaitu, jika W positif),
dari atas piston. Menambahkan tembakan timah energi internal sistem berkurang dengan jumlah kerja. Sebaliknya jika pekerjaan
membalikkan proses pada tahap mana pun. sudah selesai di sistem (yaitu, jika W negatif), energi internal sistem meningkat
sebesar itu.
Kunci pipa
Gambar 18-15 menunjukkan proses adiabatik yang ideal. Panas tidak dapat masuk
Kekosongan atau keluar dari sistem karena isolasi. Jadi, satu-satunya cara untuk mentransfer energi
antara sistem dan lingkungannya adalah dengan bekerja. Jika kita melepaskan tembakan
Isolasi dari piston dan membiarkan gas mengembang, kerja yang dilakukan oleh sistem (gas)
Gambar 18-16 Tahap awal dari proses adalah positif dan energi internal gas berkurang. Sebaliknya, jika kita menambahkan
ekspansi bebas Setelah stopcock dibuka, tembakan dan memampatkan gas, pekerjaan yang dilakukan oleh sistem adalah negatif
gas mengisi kedua ruang dan akhirnya dan energi internal gas meningkat.
mencapai keadaan kesetimbangan.
2. Proses volume konstan. Jika volume sistem (seperti gas) dipertahankan

tetap, sistem itu bisa bekerja sekarang. Puting W 0 dalam hukum pertama (Persamaan 18-26) menghasilkan

E int Q (proses volume konstan). (18-29)

Jadi, jika panas diserap oleh sistem (yaitu, jika Q positif), energi internal sistem
meningkat. Sebaliknya, jika panas hilang selama proses (yaitu, jika Q negatif), energi
internal sistem harus berkurang.

3. Proses siklus. Ada proses di mana, setelah pertukaran tertentu dari

panas dan kerja, sistem dikembalikan ke keadaan awalnya. Dalam hal ini, tidak ada properti

intrinsik dari sistem tersebut — termasuk energi internalnya — yang dapat berubah.

Puting E int 0 dalam hukum pertama (Persamaan 18-26) menghasilkan

Q W (proses siklis). (18-30)

Jadi, usaha bersih yang dilakukan selama proses harus sama persis dengan jumlah bersih
energi yang ditransfer sebagai panas; penyimpanan energi internal sistem tetap tidak berubah.
Proses siklus membentuk loop tertutup pada a pV plot, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.
18-14 f. Kami membahas proses tersebut secara rinci di Bab 20.

4. Ekspansi gratis. Ini adalah proses adiabatik di mana tidak ada perpindahan panas

terjadi antara sistem dan lingkungannya dan tidak ada pekerjaan yang dilakukan pada atau oleh sistem.

Dengan demikian, Q W 0, dan hukum pertama mengharuskan itu

E int 0 (ekspansi gratis). (18-31)

Gambar 18-16 menunjukkan bagaimana ekspansi semacam itu dapat dilakukan. Gas, yang berada
dalam kesetimbangan termal dalam dirinya sendiri, awalnya dibatasi oleh stopcock tertutup ke satu
setengah dari ruang ganda berinsulasi; separuh lainnya dievakuasi. Stopcock dibuka, dan gas
mengembang dengan bebas untuk mengisi kedua bagian ruangan. Tidak ada panas

Tabel 18-5 Hukum Pertama Termodinamika: Empat Kasus Khusus

Hukum: E int Q W ( Persamaan. 18-26)

Proses Larangan Konsekuensi

Adiabatic Q0 E int W
Volume konstan W0 E int Q
Siklus tertutup E int 0
Ekspansi gratis QW0 QW
E int 0

18-5 HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA 533

dipindahkan ke atau dari gas karena isolasi. Tidak ada pekerjaan yang dilakukan oleh gas karena ia
bergegas menuju ruang hampa dan dengan demikian tidak menemui tekanan apa pun.

Ekspansi gratis berbeda dari semua proses lain yang telah kami pertimbangkan
karena tidak dapat dilakukan secara perlahan dan terkontrol. Akibatnya, pada saat
tertentu selama ekspansi mendadak, gas tidak berada dalam kesetimbangan termal dan
tekanannya tidak seragam. Jadi, meskipun kita dapat memplot keadaan awal dan akhir
pada a pV diagram, kita tidak dapat memplot ekspansi itu sendiri.

Pos pemeriksaan 6 p

Untuk satu siklus lengkap seperti yang ditunjukkan pada pV diagram di sini, V.

adalah (a) E int untuk gas dan (b) energi bersih yang ditransfer
sebagai panas Q positif, negatif, atau nol?

Contoh Soal 18.05 Hukum pertama termodinamika: kerja, panas, perubahan energi internal

Biarkan 1,00 kg air cair pada 100 C diubah menjadi uap pada 100 IDE KUNCI

C dengan mendidih pada tekanan atmosfer standar (yaitu 1,00

atm atau 1,01). 10 5 Pa) dalam pengaturan Perubahan energi internal sistem terkait dengan panas (di sini, ini
adalah energi yang ditransfer ke sistem) dan pekerjaan (di sini, ini
Gambar 18-17. Volume air tersebut berubah dari nilai awal 1,00 adalah energi yang ditransfer keluar dari sistem) oleh hukum
pertama termodinamika (Persamaan 18-26. ).
10 3 m 3 sebagai cairan hingga 1.671 m 3 sebagai uap.

(a) Berapa banyak pekerjaan yang dilakukan oleh sistem selama proses ini?

Perhitungan: Kami menulis hukum pertama sebagai

GAGASAN KUNCI E int Q W 2256 kJ 169 kJ

(1) Sistem harus melakukan pekerjaan positif karena volume meningkat. 2090 kJ 2.09 MJ. (Menjawab)
(2) Kami menghitung pekerjaan W dilakukan dengan mengintegrasikan
tekanan terhadap volume (Persamaan 18-25). Kuantitas ini positif, menunjukkan bahwa energi internal sistem
telah meningkat selama proses perebusan. Itu
Perhitungan: Karena disini tekanannya konstan pada 1.01 10 5 Pa, energi tambahan digunakan untuk memisahkan H. 2 Molekul O, yang
kita bisa ambil p di luar integral. Jadi, sangat menarik satu sama lain dalam keadaan cair. Kita lihat
bahwa, ketika air mendidih, sekitar 7,5% (169 kJ / 2260 kJ) panas
Vf Vf masuk ke dalam pekerjaan mendorong kembali atmosfer. Sisa
panasnya masuk ke energi internal sistem.
W p dV p dV p (V f V. i)

Vi Vi

(1.01 10 5 Pa) (1.671 m 3 1.00 10 3 m 3)
1.69 10 5 J 169 kJ. (Menjawab)

(b) Berapa banyak energi yang ditransfer sebagai panas selama proses? Tembakan memimpin
IDE KUNCI

Karena panas hanya menyebabkan perubahan fasa dan bukan perubahan Gambar 18-17 air W
suhu, panas diberikan sepenuhnya oleh Persamaan. 18-16 ( Q Lm). Uap
mendidih secara konstan
Perhitungan: Karena perubahannya dari cair menjadi gas tekanan. Energi adalah

tahap, L adalah panas penguapan L V, dengan nilai yang diberikan dalam Persamaan. ditransfer dari
18-17 dan Tabel 18-4. Kami menemukan reservoir termal sebagai
panaskan sampai
cairan air berubah Air cair Isolasi

Q L V. m (2256 kJ / kg) (1,00 kg) sepenuhnya menjadi
uap. Pekerjaan selesai
2256 kJ 2260 kJ. (Menjawab) dengan berkembang QT
gas saat mengangkat
(c) Berapakah perubahan energi internal sistem selama proses? Reservoir termal Tombol kontrol
piston yang dimuat.

Contoh tambahan, video, dan praktik tersedia di WileyPLUS

534 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

18-6 MEKANISME TRANSFER PANAS

Tujuan pembelajaran

Setelah membaca modul ini, Anda seharusnya sudah bisa. . .

18.31 Untuk konduksi termal melalui sebuah lapisan, terapkan rela- konveksi, di mana fluida yang lebih hangat (gas atau cairan) cenderung naik dalam

hubungan antara laju transfer energi P. kond dan area lapisan SEBUAH, fluida yang lebih dingin.

konduktivitas termal k, ketebalan L, dan 18.35 Dalam emisi dari radiasi termal oleh suatu objek, terapkan

perbedaan suhu T ( di antara kedua sisinya). hubungan antara laju transfer energi P. rad dan luas

18.32 Untuk pelat komposit (dua atau lebih lapisan) yang memiliki permukaan benda SEBUAH, emisivitas ,́ dan permukaan tem-

mencapai kondisi mapan di mana suhu tidak lagi perature T ( di kelvin).

berubah, identifikasi itu (dengan konservasi 18.36 Dalam penyerapan radiasi termal oleh suatu benda,

energi) tingkat konduksi termal P. kond melalui lapisan harus menerapkan hubungan antara laju transfer energi

sama. P. abs dan luas permukaan benda SEBUAH dan emisivitas ́,

18.33 Untuk konduksi termal melalui sebuah lapisan, terapkan dan lingkungan suhu T ( di kelvin).

hubungan antara ketahanan termal R, ketebalan L, 18.37 Hitung kecepatan transfer energi bersih P. bersih dari suatu objek

dan konduktivitas termal k. memancarkan radiasi ke lingkungannya dan menyerap radiasi

18.34 Identifikasi bahwa energi panas dapat ditransfer oleh dari lingkungan itu.

Ide Kunci

● Tarifnya P. kond di mana energi dihantarkan melalui pelat yang satu ● Radiasi adalah transfer energi melalui emisi elektro-
permukaannya dipertahankan pada suhu yang lebih tinggi energi magnet. Tarifnya P. rad di mana suatu benda memancarkan
T H dan permukaan lainnya dipertahankan pada suhu yang lebih rendah energi melalui radiasi termal

T C aku s P. rad s´ DI 4,

P. kond Q kA T H T C. dimana s ( 5.6704 10 8 W / m 2 K 4) adalah Stefan -
t L
Konstanta Boltzmann, ́ adalah emisivitas permukaan benda, SEBUAH adalah

Di sini setiap muka pelat memiliki luas SEBUAH, panjang pelat luas permukaannya, dan T adalah suhu permukaannya
(jarak antara permukaan) adalah L, dan k adalah konduktivitas
termal material. (dalam kelvin). Tarifnya P. abs di mana suatu benda menyerap energi

● Konveksi terjadi ketika perbedaan suhu menyebabkan transfer melalui radiasi termal dari lingkungannya, yang berada di
energi melalui gerakan di dalam fluida.
suhu seragam T env ( di kelvin), adalah

P. abs s´ DI 4 env.

Kami mengasumsikan transfer Mekanisme Perpindahan Panas
energi yang stabil sebagai panas.
Kita telah membahas transfer energi sebagai panas antara sistem dan lingkungannya,
L tetapi kita belum menjelaskan bagaimana transfer itu terjadi. Ada tiga mekanisme
transfer: konduksi, konveksi, dan radiasi. Selanjutnya mari kita periksa mekanisme ini
Reservoir panas Reservoir dingin secara bergantian.
di T H di T C
Konduksi
k Jika Anda membiarkan ujung poker logam dalam api cukup lama, pegangannya akan
menjadi panas. Energi ditransfer dari api ke gagang oleh (termal) konduksi
Q di sepanjang poker. Amplitudo getaran atom dan elektron dari logam di ujung poker
menjadi relatif besar karena suhu lingkungan yang tinggi. Amplitudo getaran yang
T H> T C meningkat ini, dan dengan demikian energi yang terkait, diteruskan di sepanjang
poker, dari atom ke atom. atom, selama tumbukan antara atom yang berdekatan.
Gambar 18-18 Konduksi termal. Energi Dengan cara ini, area kenaikan suhu meluas sendiri di sepanjang poker ke pegangan.
ditransfer sebagai panas dari reservoir di
suhu T H ke reservoir yang lebih dingin di Pertimbangkan sebidang area wajah SEBUAH dan ketebalan L, yang wajahnya terawat
suhu T C melalui pelat konduksi dengan pada suhu T H dan T C oleh reservoir panas dan reservoir dingin, seperti pada Gambar 18-18. Membiarkan Q menjadi
ketebalan L dan konduktivitas termal k. energi yang ditransfer sebagai panas melalui pelat, dari permukaannya yang panas
ke wajahnya yang dingin, pada waktunya t. Eksperimen menunjukkan bahwa laju konduksi P cond ( itu

18-6 MEKANISME TRANSFER PANAS 535

jumlah energi yang ditransfer per satuan waktu) adalah Tabel 18-6 Beberapa Konduktivitas Termal

P. kond Q kA T H T C, (18-32) Zat k ( W / m K)
t L Logam
14
di mana k, disebut konduktivitas termal, adalah konstanta yang bergantung pada bahan Besi tahan karat 35
67
pembuatan pelat. Bahan yang dengan mudah mentransfer energi melalui konduksi adalah a kondMuemkitmoprin 109
235
termal yang baik dan memiliki nilai yang tinggi k. Tabel 18-6 menyajikan konduktivitas termal Besi 401
428
dari beberapa logam, gas, dan bahan bangunan yang umum. Kuningan
0,026
Ketahanan Termal terhadap Konduksi ( R- Nilai) Aluminium 0.15
Tembaga 0.18
Jika Anda tertarik untuk mengisolasi rumah Anda atau menjaga kaleng cola tetap dingin saat Perak
piknik, Anda lebih peduli dengan konduktor panas yang buruk daripada konduktor panas 0,024
yang baik. Untuk alasan inilah, konsep ketahanan termal R telah diperkenalkan ke dalam Gas 0,043
praktik teknik R- nilai ketebalan lempengan L didefinisikan sebagai 0,048
Udara kering) 0.11
1.0
L (18-33) Helium
R k. Hidrogen

Semakin rendah konduktivitas termal bahan yang membuat pelat, semakin tinggi R- nilai Bahan bangunan
lempengan; jadi sesuatu yang tinggi R- nilai adalah a konduktor termal yang buruk dan Busa poliuretan
dengan demikian a isolator termal yang baik. Wol batu
Fiberglass
Catat itu R adalah properti yang diatribusikan ke pelat dengan ketebalan tertentu, bukan ke Pinus putih
material. Satuan yang umum digunakan untuk R ( yang, setidaknya di Amerika Serikat, hampir tidak Kaca jendela
pernah disebutkan) adalah kaki persegi – derajat Fahrenheit – jam per satuan termal Inggris (ft 2 F
h / Btu). (Sekarang Anda tahu mengapa unit jarang disebutkan.)

Konduksi Melalui Slab Komposit

Gambar 18-19 menunjukkan pelat komposit, terdiri dari dua material yang memiliki perbedaan L2 L1

ketebalan L 1 dan L 2 dan konduktivitas termal yang berbeda k 1 dan k 2. Tempera-
tures dari permukaan luar pelat adalah T H dan T C. Setiap muka pelat memiliki luas
SEBUAH. Mari kita turunkan ekspresi untuk laju konduksi melalui pelat di bawah
asumsi bahwa transfer adalah a stabil proses; artinya, suhu di semua tempat di pelat
dan laju transfer energi tidak berubah seiring waktu.

Dalam kondisi tunak, laju konduksi melalui kedua material harus sama, sama
seperti energi yang ditransfer melalui satu material dalam waktu tertentu harus sama
dengan energi yang ditransfer melalui material lain dalam waktu yang sama. Jika ini
tidak benar, suhu di lempengan akan berubah
dan kami tidak akan memiliki situasi mapan. Membiarkan T X menjadi suhu antarmuka antara dua

bahan, sekarang kita dapat menggunakan Persamaan. 18-32 untuk menulis

P. kond k 2 DI H T X) k 1 DI X T C) . (18-34) Reservoir panas Reservoir dingin
L2 di T H
L1 k2 k1 di T C

Memecahkan Persamaan. 18-34 untuk T X hasil, setelah sedikit aljabar, Q

T X k 1 L 2 T C k 2 L 1 T H. (18-35)
k1 L2 k2 L1

TX

Mengganti ungkapan ini dengan T X menjadi salah satu persamaan Persamaan. 18-34 hasil

P. kond DI H T C) (18-36) Energi . . . sama dengan
L1/ k1 . transfer per
kedua di sini ... transfer energi
L2/ k2 per detik di sini.

Kita bisa memperpanjang Persamaan. 18-36 untuk diterapkan ke nomor apa pun n bahan penyusun

lempengan: Gambar 18-19 Panas ditransfer dengan
kecepatan tetap melalui pelat komposit yang
P. kond DI H T C) . (18-37) terdiri dari dua bahan berbeda dengan ketebalan
berbeda dan konduktivitas termal berbeda. Suhu
( L / k) kondisi-mapan di antarmuka
dari kedua bahan tersebut T X.
Tanda penjumlahan di penyebut memberi tahu kita untuk menjumlahkan nilai L / k untuk
semua materi.

536 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Pos pemeriksaan 7

Gambar tersebut menunjukkan 25 ° C 15 ° C 10 ° C - 5.0 ° C - 10 ° C
b c d
permukaan dan suhu antarmuka pelat Sebuah

komposit yang terdiri dari empat

bahan, dengan ketebalan yang identik,

melalui mana perpindahan panas stabil. Beri peringkat bahan menurut konduktivitas

termalnya, yang terbesar pertama.

Edward Kinsman / Peneliti Foto, Inc. Konveksi

Gambar 18-20 Sebuah termogram warna-palsu Saat Anda melihat nyala lilin atau korek api, Anda sedang mengamati energi panas
menunjukkan kecepatan di mana energi dipancarkan sedang diangkut ke atas konveksi. Transfer energi seperti itu terjadi ketika fluida,
oleh kucing. Laju ini diberi kode warna, dengan putih seperti udara atau air, bersentuhan dengan benda yang suhunya lebih tinggi dari pada
dan merah menunjukkan laju radiasi terbesar. fluida. Suhu bagian fluida yang bersentuhan dengan benda panas meningkat, dan
Hidungnya dingin. (dalam banyak kasus) fluida itu mengembang dan dengan demikian menjadi kurang
padat. Karena fluida yang mengembang ini sekarang lebih ringan dari fluida dingin di
sekitarnya, gaya apung menyebabkannya naik. Beberapa fluida dingin di sekitarnya
kemudian mengalir untuk menggantikan fluida hangat yang naik, dan proses tersebut
kemudian dapat dilanjutkan.

Konveksi adalah bagian dari banyak proses alam, konveksi atmosfer memainkan
peran mendasar dalam menentukan pola iklim global dan variasi cuaca harian. Pilot
pesawat layang dan burung sama-sama mencari panas naik (arus konveksi udara
hangat) yang membuat mereka tetap tinggi. Perpindahan energi yang besar terjadi di
dalam lautan melalui proses yang sama. Akhirnya, energi diangkut ke permukaan
Matahari dari tungku nuklir pada intinya oleh sel-sel konveksi yang sangat besar, di
mana gas panas naik ke permukaan sepanjang inti sel dan gas yang lebih dingin di
sekitar inti turun ke bawah permukaan.

Radiasi

Metode ketiga dimana suatu benda dan lingkungannya dapat bertukar energi sebagai panas
adalah melalui gelombang elektromagnetik (cahaya tampak adalah salah satu jenis gelombang
elektromagnetik). Energi yang ditransfer dengan cara ini sering disebut radiasi termal untuk
membedakannya dari elektromagnetik sinyal ( seperti dalam, katakanlah, siaran televisi) dan dari
radiasi nuklir (energi dan partikel yang dipancarkan oleh inti). (Untuk "memancarkan" umumnya
berarti memancarkan.) Saat Anda berdiri di depan api besar, Anda dihangatkan dengan menyerap
radiasi termal dari api; yaitu, energi panas Anda meningkat seiring dengan penurunan energi
panas api. Tidak ada media yang diperlukan untuk perpindahan panas melalui radiasi — radiasi
dapat bergerak melalui ruang hampa dari, katakanlah, Matahari ke Anda.

Tarifnya P. rad di mana suatu benda memancarkan energi melalui radiasi elektromagnetik
bergantung pada luas permukaan benda SEBUAH dan suhu T dari area itu di
kelvin dan diberikan oleh

P. rad s´ DI 4. (18-38)

Sini s 5.6704 10 8 W / m 2 K 4 disebut Konstanta Stefan – Boltzmann setelah

Josef Stefan (yang menemukan Persamaan 18-38 secara eksperimental pada tahun 1879) dan Ludwig

Boltzmann (yang menurunkannya secara teoritis segera setelah itu). Simbol ́ melambangkan

emisivitas permukaan benda, yang memiliki nilai antara 0 dan 1, tergantung pada

komposisi permukaannya. Permukaan dengan emisivitas maksimum 1,0 dikatakan a radiator

benda hitam, tetapi permukaan seperti itu adalah batas yang ideal dan tidak terjadi di

alam. Perhatikan lagi bahwa suhu di Persamaan. 18-38 harus dalam kelvin sehingga

suhu nol mutlak sesuai dengan tidak adanya radiasi. Perhatikan juga bahwa setiap

benda yang suhunya di atas 0 K — termasuk Anda — memancarkan radiasi termal.

(Lihat Gambar 18-20.)

18-6 MEKANISME TRANSFER PANAS 537

Tarifnya P. abs di mana suatu benda menyerap energi melalui radiasi termal dari
lingkungannya, yang kita anggap memiliki suhu yang seragam T env ( di kelvin), adalah

P. abs s´ DI 4 env. (18-39)

Emisivitas ́ inEq. 18-39 sama dengan inEq. 18-38. Radiator benda hitam yang ideal, dengan ´ 1,
akan menyerap semua energi yang terpancar yang disadapnya (daripada mengirimkan
sebagian dari dirinya sendiri melalui refleksi atau hamburan).

Karena sebuah benda memancarkan dan menyerap radiasi termal, laju netto-nya P. bersih
pertukaran energi karena radiasi termal

P. bersih P. abs P. rad ś DI 4 env T 4). (18-40)

P. bersih bernilai positif jika energi bersih diserap melalui radiasi dan negatif jika hilang © David A. Northcott / Corbis Images
melalui radiasi.
Gambar 18-21 Wajah ular berbisa memiliki detektor
Radiasi termal terlibat dalam banyak kasus medis a mati ular berbisa menghantam radiasi termal, memungkinkan ular untuk menyerang
tangan untuk meraihnya. Lubang di antara setiap mata dan lubang hidung ular derik (Gbr. hewan bahkan dalam kegelapan total.
18-21) berfungsi sebagai sensor radiasi termal. Saat, katakanlah, seekor tikus bergerak
mendekati kepala ular derik, radiasi termal dari tikus tersebut memicu sensor, menyebabkan
tindakan refleks di mana ular menyerang tema dengan taringnya dan menyuntikkan
racunnya. Radiasi termal dari tangan yang menggapai dapat menyebabkan aksi refleks yang
sama meskipun ular telah mati selama 30 menit karena sistem saraf ular terus berfungsi.
Seperti yang disarankan oleh seorang ahli ular, jika Anda harus mengeluarkan ular derik
yang baru saja dibunuh, gunakan tongkat panjang daripada tangan Anda.

Contoh Soal 18.06 Konduksi termal melalui dinding berlapis

Gambar 18-22 menunjukkan penampang dinding yang terbuat dari GAGASAN KUNCI

pinus putih dengan ketebalan L Sebuah dan ketebalan bata L d

(2.0 L Sebuah), mengapit dua lapisan bahan yang tidak diketahui (1) Suhu T 4 membantu menentukan tarif P. d di mana energi dilakukan
melalui batu bata, seperti yang diberikan oleh Persamaan. 18-32.
dengan ketebalan dan konduktivitas termal yang identik. Itu
Namun, kami kekurangan data untuk menyelesaikan Persamaan. 18-32 untuk T 4.
konduktivitas termal pinus adalah k Sebuah dan batu bata
(2) Karena konduksi stabil, laju konduksi P. d
aku s k d ( 5.0 k Sebuah). Area wajah SEBUAH tembok tidak diketahui. melalui bata harus sama dengan laju konduksi P. Sebuah melalui pinus.
Itu membuat kita pergi.
Konduksi termal melalui dinding telah mencapai
Perhitungan: Dari Persamaan. 18-32 dan Gambar 18-22, kita bisa menulis
stabil; satu-satunya suhu antarmuka yang diketahui adalah T 1

25 C, T 2 20 C, dan T 5 10 C.Apa itu inter-

suhu wajah T 4?

T1 T2 dan P. d T 4 T 5.
P. Sebuah Lk d SEBUAH
k Sebuah SEBUAH
L Sebuah d

T1 T2 T3 T4 T5 Pengaturan P. Sebuah P. d dan memecahkan T 4 menghasilkan

k Sebuah L d ( T
T 4 kdLa 1 T 2) T 5.
kb kc k d Di luar rumah
Dalam ruangan k Sebuah

Membiarkan L d 2.0 L Sebuah dan k d 5.0 k Sebuah, dan menyisipkan yang diketahui

L Sebuah Lb Lc Ld suhu, kami temukan

Transfer energi T4 k Sebuah( 2.0 L Sebuah) 20 C) (10 C)
per detik sama di
( Sebuah) ( b) ( c) ( d) setiap lapisan. (25 C (Menjawab)

(5.0 k Sebuah) L Sebuah

Gambar 18-22 Perpindahan panas dalam kondisi mapan melalui dinding. 8,0 C.

Contoh tambahan, video, dan praktik tersedia di WileyPLUS

538 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Contoh Soal 18.07 Radiasi termal oleh kubis sigung dapat melelehkan salju di sekitarnya

Tidak seperti kebanyakan tanaman lain, kubis sigung dapat mengatur GAGASAN KUNCI

suhu internalnya (diatur pada T 22 C) dengan mengubah tarif

di mana ia menghasilkan energi. Jika tertutup salju, ia dapat (1) Dalam situasi mapan, permukaan dengan luas SEBUAH, emisivitas

meningkatkan produksi tersebut sehingga radiasi termalnya ´, dan suhu T kehilangan energi ke radiasi termal di
tingkat yang diberikan oleh Persamaan. 18-38 ( P. rad ś DI 4). ( 2) Secara bersamaan,
mencairkan salju untuk memaparkan kembali tanaman ke sinar ia memperoleh energi melalui radiasi termal dari lingkungannya

matahari. Mari buat model kubis sigung dengan tinggi silinder h pada suhu T env pada tingkat yang diberikan oleh Persamaan. 18-39 ( P. env

5,0 cm dan radius R 1,5 cm dan asumsikan ś DI 4 env).

dikelilingi oleh dinding salju pada suhu T env 3,0 C Perhitungan: Untuk mencari nilai bersih pertukaran energi, kita kurangi
Persamaan. 18-38 dari Persamaan. 18-39 untuk menulis
(Gambar 18-23). Jika emisivitas ´ adalah 0,80, berapakah tingkat

pertukaran energi bersih melalui radiasi termal antara sisi

lengkung tumbuhan dan salju?

P. bersih P. abs P. rad

s´ DI 4 env T 4). (18-41)

Kita membutuhkan luas permukaan lengkung silinder, yaitu SEBUAH

h ( 2 p R). Kami juga membutuhkan suhu dalam

kelvin: T env 273 K 3 K 270 K dan T 273 K

R 22 K 295 K. Mengganti dalam Persamaan. 18-41 untuk SEBUAH dan
h
kemudian mengganti nilai yang diketahui dalam satuan SI (yang tidak
Gambar 18-23 Model kubis sigung yang telah melelehkan salju untuk mengungkap dirinya sendiri.
ditampilkan di sini), kami temukan

P. bersih (5.67 10 8) ( 0,80) (0,050) (2 p) ( 0,015) (270 4 295 4)
0.48W.
(Menjawab)

Dengan demikian, pembangkit listrik memiliki kehilangan energi bersih
melalui radiasi termal 0,48W. Tingkat produksi energi pabrik sebanding
dengan burung kolibri yang sedang terbang.

Contoh tambahan, video, dan praktik tersedia di WileyPLUS

Rangkuman ulasan

Suhu; Termometer Suhu adalah basis SI penggunaan a termometer gas volume konstan, di mana sampel gas
kuantitas yang terkait dengan rasa panas dan dingin kita. Ini diukur dipertahankan pada volume konstan sehingga tekanannya sebanding
dengan termometer, yang berisi zat yang bekerja dengan sifat terukur, dengan suhunya. Kami mendefinisikan suhu T yang diukur dengan
seperti panjang atau tekanan, yang berubah secara teratur saat zat termometer gas
menjadi lebih panas atau lebih dingin.
T (273,16 K) batas p . (18-6)
Hukum Zeroth Termodinamika Saat termometer dan
beberapa benda lain ditempatkan dalam kontak satu sama lain, mereka gas: 0 p 3
akhirnya mencapai kesetimbangan termal. Pembacaan termometer
kemudian diambil menjadi suhu benda lain. Proses ini memberikan Sini T dalam kelvin, dan p 3 dan p adalah tekanan gas pada
pengukuran suhu yang konsisten dan berguna karena hukum ke nol 273,16 K dan suhu yang diukur, masing-masing.
termodinamika: Jika tubuh SEBUAH dan B masing-masing dalam
kesetimbangan termal dengan benda ketiga C ( termometer), lalu SEBUAH Timbangan Celsius dan Fahrenheit Suhu Celcius

dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. skala didefinisikan oleh

Skala Suhu Kelvin Dalam sistem SI, suhu T C T 273.15, (18-7)
ture diukur pada Skala kelvin, yang didasarkan pada tiga poin air
(273,16 K). Suhu lain kemudian ditentukan oleh dengan T dalam kelvin. Skala suhu Fahrenheit ditentukan oleh

TF 9 32. (18-8)

5 TC

RANGKUMAN ULASAN 539

Ekspansi termal Semua benda berubah ukuran dengan perubahan suhu. Integrasi diperlukan karena adanya tekanan p mungkin berbeda selama
Untuk perubahan suhu T, sebuah perubahan L dalam linier apa pun perubahan volume.
dimensi L diberikan oleh
Hukum Pertama Termodinamika Prinsip conser-
L L Sebuah T, (18-9) vation energi untuk proses termodinamika diekspresikan dalam

di mana Sebuah adalah koefisien muai panjang. Perubahan V. di hukum pertama termodinamika, yang mungkin mengambil salah satu
volume V. padat atau cair bentuk

E int E int, f E int, saya Q W (hukum pertama) (18-26)
(18-27)
V. V. b T. (18-10) atau dE int dQ dW (hukum pertama).

Sini b 3 Sebuah adalah materinya koefisien muai volume. E int mewakili energi internal material, yang hanya bergantung pada
keadaan material (suhu, tekanan, dan volume).
Panas Panas Q adalah energi yang ditransfer antara sistem dan Q mewakili energi yang dipertukarkan sebagai panas antara sistem dan
lingkungannya karena perbedaan suhu di antara keduanya. Itu bisa lingkungannya; Q bernilai positif jika sistem menyerap panas dan negatif
diukur joule ( J), kalori ( kal), kilocalories jika sistem kehilangan panas. W apakah pekerjaan sudah selesai oleh sistem;
W positif jika sistem mengembang melawan gaya eksternal dari
(Cal atau kcal), atau Satuan termal Inggris ( Btu), dengan lingkungan dan negatif jika sistem berkontraksi menjadi-
penyebab kekuatan eksternal. Q dan W bergantung pada jalur; E int adalah jalur
1 kal 3.968 10 3 Btu 4. 1868 J. (18-12) independen.

Kapasitas Panas dan Panas Spesifik Jika panas Q diserap oleh

suatu benda, suhu benda tersebut berubah T f T saya berhubungan dengan Q oleh Penerapan Hukum Pertama Hukum pertama termodi-

namics menemukan aplikasi dalam beberapa kasus khusus:

Q C (T f T saya), (18-13)

proses adiabatik: Q 0, E int W
proses volume konstan: W
di mana C adalah kapasitas panas dari objek. Jika benda itu bermassa 0, E int Q
proses siklus:
m, kemudian ekspansi gratis:

Q cm (T f T saya), E int 0, Q W

(18-14)

W E int 0

dimana c adalah panas jenis dari bahan penyusun objek. Itu panas jenis Konduksi, Konveksi, dan Radiasi Tarifnya P. kond di
molar suatu bahan adalah kapasitas panas per mol, yang berarti per 6,02 energi yang mana dilakukan melalui lempengan yang satu wajahnya

10 23 unit dasar dari dipertahankan pada suhu yang lebih tinggi T H dan permukaan lainnya
bahan. dipertahankan pada suhu yang lebih rendah T C aku s

Panas Transformasi Materi bisa ada dalam tiga kondisi umum: padat, P. kond Q kA T H T C (18-32)
cair, dan uap. Panas yang diserap oleh suatu material dapat mengubah t L
keadaan fisik material — misalnya, dari padat menjadi cair atau dari cair
menjadi gas. Jumlah energi yang dibutuhkan per satuan massa untuk Di sini setiap muka pelat memiliki luas SEBUAH, panjang pelat (jarak
mengubah keadaan (tetapi bukan suhu) material tertentu adalah panas antara permukaan) adalah L, dan k adalah konduktivitas termal material.
transformasi L. Jadi,

Q Lm. (18-16) Konveksi terjadi ketika perbedaan suhu menyebabkan transfer
energi melalui gerak dalam fluida.
Itu panas penguapan L V. adalah jumlah energi per satuan massa yang harus
ditambahkan untuk menguapkan cairan atau yang harus dibuang Radiasi adalah transfer energi melalui emisi elektromag-
energi bersih. Tarifnya P. rad di mana suatu benda memancarkan energi melalui
mengembunkan gas. Itu panas fusi L F adalah jumlah energi per satuan massa yang harus radiasi termal
ditambahkan untuk melebur padatan atau yang harus dijumlahkan kembali
P. rad s´ DI 4, (18-38)
dipindahkan untuk membekukan cairan.

Pekerjaan Terkait dengan Perubahan Volume Gas mungkin dimana s ( 5.6704 10 8 W / m 2 K 4) adalah Stefan – Boltzmann
bertukar energi dengan lingkungannya melalui pekerjaan. Jumlah
pekerjaan W selesai oleh gas saat mengembang atau menyusut dari awal konstan, ´ adalah emisivitas permukaan benda, SEBUAH adalah permukaannya

volume V. saya ke volume akhir V. f diberikan oleh area, dan T adalah suhu permukaannya (dalam kelvin). Tarifnya P. abs di mana

suatu benda menyerap energi melalui radiasi termal dari lingkungannya

ronment, yang berada pada suhu seragam T env ( di kelvin), adalah

Vf

W dW p dV. (18-25) P. abs s´ DI 4 env. (18-39)

Vi

540 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Pertanyaan

1 Panjang awal L, perubahan suhu T, dan panjangnya berubah 6 Gambar 18-26 menunjukkan
L dari empat batang diberikan pada tabel berikut. Beri
tiga pengaturan yang berbeda- 123 132 3 12
peringkat batang menurut koefisien muai panasnya, yang terbesar bahan 1, 2, dan 3 untuk
pertama.
membentuk dinding. Yang

konduktivitas mal adalah k 1 ( Sebuah) ( b) ( c)

tongkat L ( m) T ( C) L ( m) k 2 k 3. Sisi kiri tembok lebih Gambar 18-26 Pertanyaan 6.
tinggi 20 C dari
Sebuah 2 10 4 10 4
1 20 4 10 4 sisi kanan. Urutkan pengaturan menurut (a) laju (kondisi tunak) konduksi
b 2 10 8 10 4
c 4 4 10 4 energi melalui dinding dan (b) perbedaan suhu di seluruh material 1,
d 5
yang terbesar pertama.

7 Gambar 18-27 menunjukkan p p

dua siklus tertutup

pV diagram untuk gas. Ketiga bagian dari siklus 1 memiliki panjang dan

2 Gambar 18-24 menunjukkan tiga skala bentuk yang sama dengan siklus 2. Untuk setiap siklus, sebaiknya siklus dilalui
suhu linier, dengan titik beku dan titik
didih air ditunjukkan. Urutkan ketiga 150 ° 120 ° 60 ° searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam jika (a) kerja jaring W dilakukan
skala menurut ukuran satu derajat di X Y Z oleh gas adalah menjadi positif dan (b) energi bersihV.yang ditransfer oleh gasV.
atasnya, yang terbesar dulu.
- 50 ° - 140 ° 20 ° sebagai panas Q menjadi positif? (1) (2)

Gambar 18-27 Pertanyaan 7 dan 8.

3 Bahan A, B, dan C adalah padatan yang berada padaGasmuhbuarle1l8e-h2n4yPae.rBtaanhyaananSE2B. UAH 8 Untuk siklus mana pada Gambar 18-27, yang dilintasi searah jarum jam, adalah (a) W
membutuhkan 200 J untuk melelehkan 4 kg, material B membutuhkan 300 J untuk
melelehkan 5 kg, dan material C membutuhkan 300 J untuk mencairkan 6 kg. lebih besar dan (b) Q lebih besar?
Rangking material menurut heat of fusion mereka, yang terbesar pertama. 9 Tiga bahan berbeda dengan massa identik

T

4 Sebuah sampel SEBUAH air cair dan sampel B es, dengan massa yang sama, ditempatkan satu per satu dalam freezer khusus 1
ditempatkan dalam wadah yang diisolasi secara termal dan dibiarkan yang dapat mengekstraksi energi dari suatu 2
mencapai kesetimbangan termal. Sebuah adalah sketsa suhu T sampel versus
waktu t. ( a) Apakah suhu kesetimbangan di atas, di bawah, atau di titik beku bahan dengan laju konstan tertentu. Selama
air? (b) Dalam mencapai kesetimbangan, apakah cairan sebagian membeku,
membeku sepenuhnya, atau tidak mengalami pembekuan? (c) Apakah es proses pendinginan, setiap material dimulai 3
sebagian mencair, sepenuhnya meleleh, atau mengalami pengelompokan?
dalam keadaan cair dan berakhir dalam keadaan t
5 Lanjutan pertanyaan 4: Grafik b melalui f dari Gambar 18-25 adalah sketsa
tambahan dari T melawan t, yang satu atau lebih tidak mungkin diproduksi. (a) padat; Gambar 18-28 menunjukkan suhu T versus Gambar 18-28 Pertanyaan 9.
Mana yang tidak mungkin dan mengapa? (b) Pada contoh yang mungkin, waktu t. ( a) Untuk ma-
apakah suhu kesetimbangan di atas, di bawah, atau di titik beku air? (c) Ketika
situasi yang mungkin terjadi mencapai kesetimbangan, apakah cairan terial 1, apakah kalor jenis untuk wujud cair lebih besar atau lebih kecil
sebagian membeku, membeku sepenuhnya, atau tidak mengalami dari kalor jenis untuk wujud padat? Urutkan bahan menurut (b) suhu titik
pembekuan? Apakah sebagian es mencair, mencair seluruhnya, atau tidak beku, (c) panas jenis dalam keadaan cair, (d) panas jenis dalam keadaan
mengalami pencairan? padat, dan (e) panas fusi, semuanya terbesar terlebih dahulu.

TTT 10 Kubus padat dengan panjang tepi r, radius bola yang solid r, dan
belahan jari-jari yang kokoh r, semua terbuat dari bahan yang sama,
( Sebuah) t ( b) t ( c) t dipertahankan pada suhu 300 K dalam lingkungan pada suhu 350 K. Beri
T T peringkat benda-benda sesuai dengan tingkat bersih di mana radiasi
T termal dipertukarkan dengan lingkungan, yang terbesar pertama.

11 Sebuah benda panas dijatuhkan ke dalam wadah air yang diisolasi secara termal,
dan benda serta air tersebut kemudian dibiarkan mencapai kesetimbangan termal.
Percobaan diulang dua kali, dengan benda panas yang berbeda. Ketiga benda
tersebut memiliki massa dan suhu awal yang sama, serta massa dan suhu awal air
yang sama pada ketiga percobaan. Untuk masing-masing percobaan, Gambar.
Gambar 18-29 memberikan grafik suhu T objek dan air versus waktu t. Beri peringkat
grafik menurut panas spesifik objek, yang terbesar terlebih dahulu.

TTT

( d) t ( e) t ( f) t ( Sebuah) t ( b) t ( c) t
Gambar 18-25 Pertanyaan 4 dan 5.
Gambar 18-29 Pertanyaan 11.

MASALAH 541

Masalah

Masalah les tersedia (atas kebijaksanaan instruktur) di WileyPLUS dan WebAssign

SSM Solusi yang sudah diselesaikan tersedia di Panduan Solusi Siswa WWW Solusi yang sudah diselesaikan ada di

• - • • • Jumlah titik menunjukkan tingkat kesulitan masalah Informasi tambahan tersedia di SirkILuWs TerbaSnogluFsisiinktaerdaakntif ada di http://www.wiley.com/college/halliday

di flyingcircusofphysics.com

Modul 18-1 Suhu • 12 Batang paduan aluminium memiliki panjang 10.000 cm pada suhu
20.000 C dan panjang 10.015 cm pada titik didih air. (a) Berapa panjang
• 1 Misalkan suhu suatu gas adalah 373,15 K ketika berada di titik didih tongkat di titik beku air? (b) Berapakah temperatur jika panjang batang
air, lalu berapakah nilai pembatas dari rasio tekanan gas pada titik didih 10,009 cm?
tersebut terhadap tekanannya pada titik tripel air? (Asumsikan volume
gas sama pada kedua temperatur.)

• 13 SSM Temukan perubahan volume bola aluminium dengan

jari-jari awal 10 cm ketika bola dipanaskan dari 0,0 C hingga 100 C.

• 2 Dua termometer gas volume konstan dipasang, satu dengan nitrogen dan • • 14 Ketika suhu koin tembaga dinaikkan sebesar 100 C, diameternya
satu lagi dengan hidrogen. Keduanya mengandung cukup banyak meningkat 0,18%. Untuk dua angka penting, berikan persentase
peningkatan dalam (a) luas permukaan, (b) ketebalan, (c) volume , dan
gas sehingga p 3 80 kPa. (a) Apa perbedaan antara file (d) massa koin. (e) Hitung koefisien muai panjang koin.

tekanan dalam dua termometer jika kedua umbi berada dalam air mendidih? ( Petunjuk:

Lihat Gambar 18-6.) (B) Gas manakah yang bertekanan lebih tinggi?

• 3 Termometer gas dibuat dari dua bola • • 15 ILW Sebuah batang baja berdiameter 3.000 cm pada suhu 25.00 C. Cincin kuningan
memiliki diameter bagian dalam 2.992 cm pada suhu 25.00 C. Pada temperatur yang sama
lampu yang berisi gas, masing-masing apakah cincin akan meluncur begitu saja ke batang?

dalam bak air, seperti yang ditunjukkan •pm•aa1ns6jsaKanegjetninkyaisa.sb(ubeh)rutAapsmialibnitaduhelro0l,go2a3gm%am?. (Uads)ienTTaeainkbtkuleakn1a8nd-a2pr.ei r0s,e0nCtamseenpjearduib1a0h0aCn,
pada Gambar 18-30. Perbedaan tekanan
antara kedua bola lampu diukur dengan Gambar 18-30 Masalah 3.
manometer merkuri seperti yang
ditunjukkan. Waduk yang sesuai, tidak
ditunjukkan pada

Pada diagram, pertahankan volume gas konstan di kedua bola lampu. Tidak • • 17 SSM WWW Cangkir aluminium 100 cm 3 kapasitas sudah lengkap

ada perbedaan tekanan saat kedua bak berada di triple point air. Perbedaan diisi sepenuhnya dengan gliserin pada suhu 22 C. Berapa banyak gliserin,

tekanan adalah 120 torr ketika satu bath berada pada titik tripel dan bath yang jika ada, yang akan keluar dari cangkir jika suhu cangkir dan gliserin

lain berada pada titik didih air. Ini adalah 90,0 torr ketika satu bath berada di ditingkatkan menjadi 28 C? (Koefisien muai volume gliserin adalah 5,1

triple point dan yang lainnya berada pada suhu yang tidak diketahui untuk 10 4 / C.)

diukur. Berapa suhu yang tidak diketahui? • • 18 Pada suhu 20 C, panjang batang tepat 20,05 cm di atas penggaris
baja. Keduanya ditempatkan dalam oven dengan suhu 270 C, di mana
Modul 18-2 Skala Celsius dan Fahrenheit batang sekarang berukuran 20,11 cm pada penggaris yang sama.
• 4 ( a) Pada tahun 1964, suhu di desa Oymyakon di Siberia mencapai Berapa koefisien muai panjang bahan pembuat batang?

71 C. Berapa suhu ini di • • 19 Tabung kaca vertikal dengan panjang L 1.280.000 m adalah setengahnya
Skala Fahrenheit? (b) Suhu tertinggi yang tercatat secara resmi di benua
Amerika Serikat adalah 134 F di DeathValley, California. Berapakah suhu diisi dengan cairan pada 20.000.000 C. Berapa tinggi kolom cairan
pada skala Celcius?
berubah ketika tabung dan cairan dipanaskan
•d5uaPakdaali ssukahlua bCeerlsaipuaskdaahnp(ebm) sbeatceanagnahskdaalariFsakharlaenCheelsitiussa?ma dengan (a)
30.000.000 C? Gunakan koefisien Sebuah kaca 1.000.000 10 5 / K dan

b cair 4.000.000 10 5 / K.

•p•a6dPaa3d7a5s,0kaXl.aPsaudhausXkalilnaiesur,hauirYmlienmierb,eakirumpaedmab1e2k5u,0pXaddaan mendidih • • 20 Dalam percobaan tertentu, a Listrik Radioaktif

70,00 Y dan mendidih pada 30,00 Y. Suhu 50,00 Y sesuai dengan suhu sumber radioaktif kecil harus bergerak sumber pemanas
apa pada skala X?
• • 7 ILW Misalkan pada skala suhu linier X, air mendidih pada kecepatan tertentu yang sangat
pada 53,5 X dan membeku pada 170 X. Berapakah temperatur 340 K
pada skala X? (Perkiraan titik didih air sebagai 373 K.) lambat. Gerakan ini dilakukan dengan Penjepit

Modul 18-3 Ekspansi termal mengencangkan sumber ke salah satu d
• 8 Pada suhu 20 C, kubus kuningan memiliki panjang tepi 30 cm. Berapa
pertambahan luas permukaan jika dipanaskan dari 20 C menjadi 75 C? ujung batang aluminium dan Gambar 18-31 Soal 20.

memanaskan bagian tengah

batang dengan cara yang terkendali. Jika bagian batang yang dipanaskan secara efektif

pada Gbr. 18-31 memiliki panjang d 2.00 cm, berapa kecepatan yang harus konstan

suhu batang diubah jika sumbernya bergerak

kecepatan konstan 100 nm / s?

• 9 ILW Lubang melingkar pada pelat aluminium berdiameter 2,725 cm • • • 21 SSM ILW Sebagai hasil dari a
pada suhu 0,000 C. Berapakah diameternya saat suhu
pelat dinaikkan hingga 100,0 C? kenaikan suhu 32 C, batang dengan L0
•b1e0rtTaimanbgahbesnedireinrga akleunmaiiknaiunmsusheutinsgebgei 3sa3rm15. BCe?rapa panjangnya
retakan di tengahnya melengkung ke x
• 11 Berapakah volume sebuah bola depan pada suhu 30,00 C jika volume bola pada suhu L0
60,00 C adalah 50,00 cm? 3? atas (Gbr. 18-32). Disk tetap- Gambar 18-32 Soal 21.

tance L 0 adalah 3,77 m dan koefisien

muai panjang balok

adalah 25 10 6 / C. Temukan tanjakan x dari

tengah.

542 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Modul 18-4 Penyerapan Panas • • 31 ILW Berapa massa uap pada 100 C harus dicampur dengan 150 g
• 22 Salah satu cara agar isi garasi tidak menjadi es pada titik lelehnya, dalam wadah yang diisolasi secara termal, untuk
terlalu dingin pada malam ketika diperkirakan suhu subfreezing yang menghasilkan air cair pada suhu 50 C?
parah adalah untuk meletakkan bak air di garasi. Jika massa air adalah
125 kg dan suhu awalnya 20 C, (a) berapa banyak energi yang harus •f•u3n2gsKianlyoar cjenis suatu zat bervariasi menurut suhu sesuai dengan
ditransfer air ke sekitarnya untuk membeku sepenuhnya dan (b) berapa 0.20 0.14 T 0,023 T 2, dengan T di C
suhu air dan sekitarnya yang paling rendah. sampai itu terjadi?
dan c dalam kal / g K. Tentukan energi yang dibutuhkan untuk
• 23 SSM Pemanas celup listrik kecil digunakan untuk memanaskan 100 g menaikkan suhu 2,0 g zat ini dari 5,0 C menjadi 15 C.
air untuk secangkir kopi instan. Pemanas diberi label "200 watt" (ini
mengubah energi listrik menjadi energi panas pada kecepatan ini). • • 33 Versi nonmetrik: ( a) Berapa lama 2.0 10 5 Pemanas air Btu / jam
Hitung waktu yang dibutuhkan untuk membawa semua air ini diperlukan untuk menaikkan suhu 40 gal air dari 70 F menjadi 100 ° F? Versi
metrik: ( b) Berapa lama waktu yang dibutuhkan pemanas air 59 kW
23,0 C hingga 100 C, mengabaikan kehilangan panas. untuk menaikkan suhu 150 L air dari 21 C menjadi 38 C?

• 24 Suatu zat tertentu memiliki massa per mol 50,0 g / mol. Ketika 314 J • • 34 Sampel SEBUAH dan B berada pada suhu awal yang berbeda
ditambahkan sebagai panas ke sampel 30,0 g, suhu sampel naik dari 25,0
C menjadi 45,0 C. Berapakah kalor jenis (a) dan (b) kalor jenis molar zat ketika ditempatkan dalam wadah berinsulasi termal dan dibiarkan
ini? (c) Berapa mol dalam sampel?
mencapai kesetimbangan termal. Gambar 18-34 Sebuah memberikan

suhu mereka T versus waktu t. Sampel SEBUAH memiliki massa 5,0 kg;

Sampel B memiliki massa 1,5 kg. Gambar 18-34 b adalah plot umum untuk

bahan sampel B. Ini menunjukkan perubahan suhu T bahwa

material mengalami saat energi ditransfer ke sana sebagai panas Q.

• 25 Seorang dokter diet tertentu mendorong orang untuk diet dengan Perubahan T diplot versus energi Q per satuan massa
minum air es. Teorinya adalah bahwa tubuh harus membakar cukup
lemak untuk menaikkan suhu air dari 0,00 C ke suhu tubuh 37,0 C. material, dan skala sumbu vertikal ditentukan oleh T s 4.0 C.
Berapa liter air es yang harus dikonsumsi untuk membakar 454 g (sekitar
1 lb) lemak, dengan asumsi bahwa membakar lemak sebanyak ini Berapa kalor jenis sampel SEBUAH?
membutuhkan 3500 Cal ditransfer ke air es? Mengapa tidak disarankan
mengikuti diet ini? (Satu liter 100 Δ T s

10 3 cm 3. SEBUAH
Massa jenis air adalah 1,00 g / cm3 3.)
60
• 26 Berapa massa mentega, yang memiliki kandungan energi yang dapat digunakan
T ( ° C)B
6,0 Cal / g (6000 cal / g), akan setara dengan perubahan energi potensial Δ T ( C °)
gravitasi pria 73,0 kg yang naik dari permukaan laut ke puncak Gn.
Everest, pada ketinggian 8,84 km? Asumsikan bahwa rata-rata g untuk 20 10 20 0 8 16
pendakian adalah 9,80 m / s 2. 0 t ( min) Q / m ( k J / kg)

• 27 SSM Hitung jumlah energi minimum, dalam joule, yang dibutuhkan untuk ( Sebuah) ( b)
melebur seluruhnya 130 g perak pada awalnya pada suhu 15,0 C.
Gambar 18-34 Soal 34.
• 28 Berapa banyak air yang tetap tidak membeku setelah 50,2 kJ
ditransfer sebagai panas dari 260 g air cair pada awalnya pada titik • • 35 Termos berisolasi berisi 130 cm 3 kopi panas di
bekunya? 80,0 C. Anda memasukkan 12,0 g es batu pada titik lelehnya untuk
mendinginkan kopi. Berapa derajat kopi Anda sudah dingin setelah es
• • 29 Dalam pemanas air tenaga surya, energi dari matahari mencair dan keseimbangan tercapai? Perlakukan kopi seperti air murni
dikumpulkan oleh air yang bersirkulasi melalui tabung di kolektor atap. dan abaikan pertukaran energi dengan lingkungan.
Radiasi matahari memasuki kolektor melalui penutup transparan dan
menghangatkan air di dalam tabung; air ini dipompa ke dalam tangki • • 36 Sebuah mangkuk tembaga 150 g berisi 220 g air, keduanya pada
penampungan. Asumsikan bahwa efisiensi keseluruhan sistem adalah 20,0 CA sangat panas. Silinder tembaga 300 g dijatuhkan ke dalam air,
20% (yaitu, 80% energi matahari yang terjadi hilang dari sistem). Luas menyebabkan air mendidih, dengan 5,00 g diubah menjadi uap. Suhu
kolektor apa yang diperlukan untuk menaikkan suhu 200 L air dalam akhir sistem adalah 100 C. Abaikan transfer energi dengan lingkungan.
tangki dari 20 C menjadi 40 ° C dalam 1,0 jam ketika intensitas cahaya (a) Berapa banyak energi (dalam kalori) yang ditransfer ke air sebagai
matahari yang datang 700 W / m 2? panas? (b) Berapa jumlah mangkuknya? (c) Berapakah temperatur awal
silinder?

•e•n3e0rgSai smepbealg0a,i4p0a0nkags ddietenmgapnatkan dalam peralatan pendingin yang menghilangkan

tingkat stant. Gambar 18-33 300 • • 37 Seseorang membuat sejumlah es teh dengan mencampurkan 500 g teh panas
(pada dasarnya air) dengan massa es yang sama pada titik lelehnya. Asumsikan
menunjukkan suhu T sampel campuran tersebut memiliki pertukaran energi yang dapat diabaikan dengannya

versus waktu t; cakrawala- lingkungan Hidup. Jika suhu awal teh T saya 90 C, saat
kesetimbangan termal tercapai berapa (a) suhu campuran 70 C, saat
skala tal ditetapkan oleh t s 80.0 menit ture T f dan (b) sisa massa m f es? Jika T saya
kesetimbangan termal tercapai apa (c) T f dan (d) m f?
Sampel membeku selama 270

penghilangan energi. Kalor jenis T ( K)

sampel pada fase cair awalnya 250

adalah 3000 J / kg K. Berapakah (a) 0 ts • • 38 Sampel air cair 0,530 kg dan sampel es ditempatkan dalam wadah
t ( min) yang diisolasi secara termal. Wadah juga berisi perangkat yang
kalor fusi sampel dan (b) kalor mentransfer energi sebagai panas dari air cair ke es dengan kecepatan
Gambar 18-33 Soal 30. konstan P, sampai kesetimbangan termal
jenis pada fase beku?

MASALAH 543

tercapai. Suhu T air cair dan es diberikan pada Gambar. 18-35 sebagai negara C, dan kemudian kembali ke SEBUAH, seperti yang ditunjukkan pada pV diagram Gambar
fungsi waktu t; skala horizontal ditetapkan
oleh t s 80.0 menit (a) Apakah rate itu P? ( b) Berapa massa awal 1838 Sebuah. Skala vertikal ditentukan oleh p s 40 Pa, dan skala horizontal
es di dalam wadah? (c) Ketika kesetimbangan termal tercapai, berapa
massa es yang dihasilkan dalam proses ini? diatur oleh V. s 4,0 m 3. ( a) - (g) Lengkapi tabel pada Gambar 18-38 b oleh

40 menyisipkan tanda plus, minus, atau nol di setiap sel yang ditunjukkan.

(h) Berapa usaha bersih yang dilakukan oleh sistem saat bergerak sekali

melalui siklus ABCA?

20 C
ps

0
T ( ° C) Q W Δ E int
Tekanan (Pa)
- 20 Tekanan (N / m 2)SEBUAHBSEBUAH B ( a) (b) +

0 ts B C + (c) (d)
t ( min) SEBUAH ( e) (f) (g)
0 V. s C
Gambar 18-35 Soal 38. Volume (m 3) ( b)
( Sebuah)

• • 39 Etil alkohol memiliki titik didih 78,0 C, titik beku Gambar 18-38 Soal 44.

titik 114 C, kalor penguapan 879 kJ / kg, kalor fusi 109 kJ / kg, dan kalor • 45 SSM ILW Gas di dalam a

jenis 2,43 kJ / kg K.Banyak energi yang harus dikeluarkan dari 0,510 kg ruang tertutup mengalami siklus

etil alkohol yaitu awalnya berupa gas pada suhu 78,0 C sehingga menjadi yang ditunjukkan pada pV diagram 40
C
padat pada suhu 114 C? dari Gambar 18-39. Garis horizontal B
30
• • 40 Hitung kalor jenis logam dari data berikut. Wadah yang terbuat
dari logam ini memiliki massa 3,6 kg dan berisi 14 kg air. Sebongkah skala ditentukan oleh V. s 4,0 m 3.
logam seberat 1,8 kg yang awalnya pada suhu 180 C dijatuhkan ke dalam
air. Wadah dan air awalnya memiliki suhu 16,0 C, dan suhu akhir dari Hitung energi bersih yang 20
seluruh sistem (terisolasi) adalah 18,0 C.
ditambahkan ke sistem sebagai

panas selama satu siklus lengkap. 10

• • • 41 SSM WWW (a) Dua buah es batu berukuran 50 g dijatuhkan menjadi 200 g • 46 Misalkan 200 J pekerjaan SEBUAH
dilakukan pada sistem dan 70,0 kal
air dalam wadah yang diisolasi secara termal. Jika air awalnya bersuhu 25 diekstraksi dari sistem sebagai 0 V. s
panas. Dalam pengertian hukum Volume (m 3)
C, dan es berasal langsung dari freezer pada suhu 15 C, berapakah suhu pertama termodinamika, apa itu
Gambar 18-39 Soal 45.

akhir pada kesetimbangan termal? (b) Berapakah temperatur akhir jika nilai (termasuk tanda aljabar) dari (a) W, ( b) Q, dan C) E int?

hanya satu es batu yang digunakan?

• • 47 SSM WWW Ketika suatu sistem diambil dari keadaan saya untuk menyatakan f

• • • 42 Cincin tembaga 20,0 g pada di sepanjang jalan iaf pada Gambar 18-40, Q 50 kal dan W 20 kal. Jalan panjang

0.000 C memiliki diameter dalam d ibf, Q 36 kal. (a) Apa itu W di sepanjang jalan ibf? ( b) Jika W 13 kal

D 2.54000 cm. Aluminium Al untuk jalur kembali fi, apa yang Q untuk jalan ini? (c) Jika E int, saya 10 kal,
Cu
bola pada suhu 100,0 C memiliki apa yang E int, f? Jika E int, b 22 kal, apa Q untuk (d) jalur ib dan (e)
D
diameter2d.545 08 cm. Bola itu Gambar 18-36 Soal 42. jalan bf?

diletakkan di atas cincin (Gbr. 18-36),

dan keduanya dibiarkan mencapai Sebuah f

kesetimbangan termal, tanpa panas

yang hilang ke sekitarnya. Bola

melewati cincin pada suhu Tekanan saya b

kesetimbangan. Berapa massa bola

itu? 0 Volume
Gambar 18-40 Soal 47.

Modul 18-5 Hukum Pertama SEBUAH Sebagai gas ditahan dalam a B
Termodinamika
p0
• 43 Pada Gambar. 18-37, sampel gas bekas CB • • 48

pands dari V. 0 menjadi 4.0 V. 0 sementara ruang tertutup, itu melewati siklus yang

tekanannya menurun p 0 untuk Tekanan (Pa) ditunjukkan pada Gambar. 18-41. Tentukan

p 0 / 4.0. Jika V. 0 1,0 m 3 dan p 0 40 energi yang ditransfer oleh sistem sebagai

panas selama proses tekanan konstan CA jika
Pa, berapa banyak usaha yang dilakukan Tekanan
energi ditambahkan sebagai panas
oleh gas jika tekanannya berubah dengan Q AB selama proses volume konstan SEBUAH C

volume melalui jalur (a) SEBUAH, ( b) jalur B, dan AB adalah 20,0 J, tidak ada energi yang ditransfer

(c) jalur C? 0 V. 0 4.0 V. 0 sebagai panas selama proses adiabatik SM,

• 44 Sistem termodinamika Volume (m 3) dan usaha bersih yang dilakukan selama siklus tersebut 0 Volume
Gambar 18-41 Masalah 48.
diambil dari negara bagian SEBUAH untuk menyatakan B untuk Gambar 18-37 Soal 43. adalah 15,0 J.

544 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

• • 49 Gambar 18-42 mewakili a p sarang lebah, beberapa ratus lebah dengan cepat membentuk bola padat di sekitar

siklus tertutup untuk gas (angka tersebut Sebuah lebah untuk menghentikannya. Mereka tidak menyengat, menggigit,

tidak ditarik ke skala). Perubahan energi b menghancurkan, atau mencekiknya. Sebaliknya mereka memanaskannya dengan
internal gas saat bergerak dari Sebuah
cepat menaikkan suhu tubuh mereka dari normal 35 C menjadi 47 C atau 48 C, yang
untuk c sepanjang jalan abc aku s 200 J.
mematikan bagi lebah tetapi tidak bagi lebah (Gbr. 18-44). Asumsikan sebagai
Saat bergerak dari c untuk d, 180 J harus dipindahkan c d
berikut: 500 lebah membentuk bola berjari-jari R 2.0 cm untuk satu waktu t
sebagai panas. Perpindahan tambahan sebesar 80 J V.
20 menit, kehilangan energi utama oleh bola adalah oleh radiasi termal,
sebagai panas dibutuhkan saat bergerak d untuk Sebuah.
permukaan bola memiliki emisivitas ´ 0,80, dan bola memiliki suhu yang
Berapa banyak pekerjaan yang dilakukan pada gas Gambar 18-42 Masalah 49.
seragam. Rata-rata, berapa banyak energi tambahan yang harus dihasilkan
saat gas itu bergerak c untuk d?
setiap lebah selama 20 menit untuk mempertahankan suhu 47 C?
• • 50 Sampel gas laboratorium diambil p
• • 57 ( a) Berapakah laju kehilangan energi dalam watt per meter persegi
melalui siklus abca ditampilkan di pV Sebuah b melalui jendela kaca setebal 3,0 mm jika suhu luar 20 F dan suhu dalam
72 F? (b) Jendela badai yang memiliki ketebalan kaca yang sama
diagram dari Gambar 18-43. Pekerjaan bersih yang dipasang sejajar dengan jendela pertama, dengan celah udara 7,5 cm di
antara dua jendela. Sekarang berapa laju kehilangan energi jika
dilakukan adalah 1.2 J. Sepanjang jalan ab, itu konduksi adalah satu-satunya mekanisme kehilangan energi yang
penting ?
perubahan energi dalam adalah 3,0 J dan

besarnya usaha yang dilakukan adalah 5,0 J.

Sepanjang jalur ca, energi yang ditransfer c

ke gas sebagai panas adalah 2,5 V. • • 58 Jari-jari silinder yang kokoh r 1 2,5 cm, panjang h 1 5,0 cm,
J. Berapa banyak energi yang ditransfer sebagai
emisivitas 0,85, dan suhu 30 C tergantung di lingkungan

panas di sepanjang jalur (a) ab dan (b) jalur bc? Gambar 18-43 Masalah50. suhu 50 C. (a) Berapakah termal bersih silinder

Modul 18-6 Mekanisme Perpindahan Panas kecepatan transfer radiasi P. 1? ( b) Jika silinder diregangkan sampai

• 51 Sebuah bola dengan radius 0,500 m, suhu 27,0 C, dan emisivitas jari-jarinya r 2 0,50 cm, laju transfer radiasi termal bersih menjadi-
0,850 terletak di lingkungan bersuhu 77,0 C. Pada kecepatan berapakah datang P. 2. Berapa rasionya P. 2 / P. 1?
bola (a) memancarkan dan (b) menyerap radiasi termal? (c) Berapakah
tingkat pertukaran energi bersih bola? • p• e5r9sePgaidpaaGnajamngbayra1n8g-4id5eSnetbikudaihla,sduujaubnagtnaynag logam T 1 T2

• 52 Langit-langit rumah satu keluarga di iklim dingin harus memiliki R- nilai untuk mengakhiri, dengan suhu T 1 0C ( Sebuah)
30. Untuk memberikan isolasi tersebut, berapa tebal lapisan (a) busa
poliuretan dan (b) perak harus dibuat? di sisi kiri dan suhu T1 T2
( b)
dari T 2 100 C di sisi kanan. Di
Gambar 18-45 Masalah59.
2,0 menit, 10 J dilakukan dengan kecepatan

• 53 SSM Perhatikan pelat yang ditunjukkan pada Gambar 18-18. Seandainya konstan dari sisi kanan ke sisi kiri. Berapa

L 25,0 cm, SEBUAH 90,0 cm 2, dan bahannya tembaga. Jika T H banyak waktu yang dibutuhkan untuk
125 C, T C 10,0 C, dan kondisi mapan tercapai, temukan konduk-
laju tion melalui slab. melakukan 10 J jika batang dilas dari sisi ke

• 54 Jika Anda berjalan sebentar di luar angkasa tanpa pakaian luar angkasa sisi seperti pada Gambar 18-45 b?
saat jauh dari Matahari (seperti yang dilakukan astronot di film 2001, A Space
Odyssey), Anda akan merasakan dinginnya ruang angkasa — sementara Anda • • 60 Gambar 18-46 menunjukkan salib k1 k2k3
memancarkan energi, Anda hampir tidak akan menyerap dari lingkungan Anda. (a)
Pada tingkat berapa Anda akan kehilangan energi? (b) Berapa banyak energi yang bagian dinding yang terbuat dari tiga lapisan.
akan hilang dalam 30 detik? Asumsikan emisivitas Anda 0,90, dan perkirakan data
lain yang diperlukan dalam penghitungan. Ketebalan lapisannya adalah L 1, L 2 TH TC
L1
• 55 ILW Batang tembaga silinder dengan panjang 1,2 mand luas penampang 0.700 L 1, dan L 3 0,350 L 1. Yang
4,8 cm 2 diisolasi sepanjang sisinya. Ujung-ujungnya ditahan pada perbedaan
suhu 100 C dengan salah satu ujungnya berada dalam campuran air-es dan konduktivitas mal adalah k 1, k 2 L2L3
ujung lainnya dalam campuran air mendidih dan uap. Pada tingkat berapa (a)
energi dihantarkan oleh batang dan (b) es meleleh? 0,900 k 1, dan k 3 0.800 k 1. Temper-

atures di sisi kiri dan kanan Gambar 18-46 Masalah 60.

temboknya T H 30,0 C dan T C

15,0 C, masing-masing. Konduksi

termal stabil. (a) Berapakah perbedaan Udara

suhu T2 Es
air
melintasi lapisan 2 (antara kiri dan

sisi kanan lapisan)? Jika k 2 adalah,

• • 56 Tawon raksasa Vespa mandarinia japonica memangsa sebagai gantinya, sama dengan 1.1 k 1, ( b)

Lebah Jepang. Namun, jika salah satu lebah mencoba menyerang akan laju di mana energi dikon-

disalurkan melalui dinding lebih besar dari,

kurang dari, atau sama seperti sebelumnya, dan

(c) apa yang akan menjadi

Nilai dari T 2?

• • 61 SSM Sebuah lempengan 5,0 cm Gambar 18-47 Soal 61.
telah terbentuk pada tangki air luar
Gambar 18-44 (Gbr. 18-47). Udara berada pada 10 C.
Tentukan kecepatan pembentukan es
Soal 56. (sentimeter per jam). Es memiliki
konduktivitas termal 0,0040 kal / s cm C
dan kepadatan 0,92 g / cm 3. Asumsikan
ada

© Dr. Masato Ono, Universitas Tamagawa tidak ada transfer energi melalui dinding atau dasar.

MASALAH 545

• • 62 Efek Leidenfrost. SEBUAH Tetesan air Sebuah silinder meringkuk dengan luas permukaan atas Na dan tinggi h, cylin-
Kuali der meradiasi dengan kecepatan P. h. Jika N 1000, (a) berapakah nilai dari
Tetesan air akan bertahan sekitar 1 h
L pecahan P. h / NP r dan (b) berapa persentase ngerumpi mengurangi
detik di atas wajan panas dengan suhu kehilangan radiasi total?

antara 100 C dan sekitar 200 C.Namun,

jika wajan jauh lebih panas, tetesan Gambar 18-48 Soal 62. •Ct•e.Jr6ick5aaEptsaoitt,eadllaekhnegdteaarnlbauemdnaatnurakEdsdii kaotalasmesdpaandgaka5l,,0dCandaknonddaissai rmkaoplaamn tpealadha 4,0
dapat bertahan beberapa menit.
air adalah 1,4 m, bagaimana
utes, efek yang dinamai menurut penyelidik awal. Umur yang lebih lama ini
tebal apakah esnya? (Asumsikan bahwa konduktivitas termal es dan air
disebabkan oleh dukungan lapisan tipis udara dan uap air yang memisahkan masing-masing adalah 0,40 dan 0,12 cal / m C s.)

tetesan dari logam (berdasarkan jarak L pada Gambar 18-48). Membiarkan L

0,100 mm, dan asumsikan bahwa penurunan datar dengan ketinggian h 1,50 mm

dan area wajah bagian bawah SEBUAH 4,00 10 6 m 2. Juga asumsikan bahwa file • • • 66 Minuman dingin yang menguapkan. Minuman dingin

wajan memiliki suhu yang konstan T s 300 C dan drop memiliki a dapat disimpan dingin meskipun pada hari yang hangat jika dimasukkan ke

suhu 100 C. Air memiliki kepadatan r 1000 kg / m 3, dan dalam wadah keramik berpori yang telah direndam dalam air. Asumsikan

lapisan pendukung memiliki konduktivitas termal k 0,026W / m K. (a) bahwa energi yang hilang akibat penguapan sama dengan energi bersih yang
Berapakah kecepatan energi yang dialirkan dari wajan ke tetesan melalui
diperoleh melalui pertukaran radiasi melalui permukaan atas dan samping.

permukaan dasar tetesan? (b) Jika konduksi adalah cara utama energi Wadah dan minuman memiliki suhu T 15 C, lingkungan memiliki

bergerak dari wajan ke drop, berapa lama drop akan bertahan? suhu T env 32 C, dan wadahnya adalah silinder dengan

• • 63 Gambar 18-49 menunjukkan (dalam penampang) sebuah dinding yang terdiri dari radius r 2,2 cm dan tinggi 10 cm. Perkirakan emisivitas sebagai

empat lapisan, dengan konduktivitas termal k 1 0,060W / m K, k 3 ´ 1, dan mengabaikan pertukaran energi lainnya. Pada tingkat apa dm / dt apakah

0,040 W / m K, dan k 4 0,12 W / m K ( k 2 Tidak diketahui). Lapisan wadah kehilangan massa air?

ketebalannya L 1 1,5 cm, L 3 2,8 cm, dan L 4 3,5 cm ( L 2 aku s Masalah Tambahan

tidak diketahui). Temperatur yang diketahui adalah T 1 30 C, T 12 25 C, 67 Dalam ekstrusi coklat dingin dari tabung, pekerjaan dilakukan pada

dan T 4 10 C. Perpindahan energi melalui dinding stabil. Apa coklat dengan tekanan yang diterapkan oleh ram yang memaksa coklat

adalah suhu antarmuka T 34? melewati tabung. Pekerjaan per satuan massa coklat yang diekstrusi

sama dengan p / r, dimana p adalah perbedaan antara tekanan yang

diberikan dan tekanan di mana coklat keluar dari tabung, dan r adalah

k1 k2 k3 k4 kepadatan coklat. Alih-alih meningkatkan suhu cokelat, pekerjaan ini
T1 T 23 T 34
T4 melelehkan lemak kakao di dalam cokelat. Lemak ini memiliki panas
T 12
peleburan 150 kJ / kg. Asumsikan bahwa semua pekerjaan dilakukan

untuk peleburan itu dan lemak ini membentuk 30% massa cokelat.

L1 L2 L3 L4 Berapa persentase lemak yang meleleh selama ekstrusi jika p

Gambar 18-49 Soal 63. 5,5 MPa dan r 1200 kg / m 3?

Penguin berkerumun. Untuk menahan cuaca yang keras 68 Gunung es di Atlantik Utara menimbulkan bahaya bagi pengiriman,

• • 64 menyebabkan panjang rute pengiriman meningkat sekitar 30% selama musim

di Antartika, penguin kaisar berkumpul dalam kelompok (Gbr. 18-50). Asumsikan gunung es. Upaya untuk menghancurkan gunung es termasuk menanam bahan

bahwa penguin berbentuk silinder melingkar dengan luas permukaan bagian atas peledak, pengeboman, torpedo, penembakan, serudukan, dan pelapisan dengan

Sebuah 0,34 m 2 dan tinggi h 1,1 m. Membiarkan P. r menjadi tingkat di mana jelaga hitam. Misalkan pencairan langsung gunung es, dengan menempatkan

penguin individu memancarkan energi ke lingkungan (melalui sumber panas di dalam es, dicoba. Berapa banyak energi sebagai panas yang

atas dan samping); jadi NP r adalah tingkat di mana N identik, penguin yang dibutuhkan untuk mencairkan 10% gunung es yang bermassa 200.000 metrik ton?

terpisahkan dengan baik menyebar. Jika penguin meringkuk erat untuk membentuk (Gunakan 1metric ton 1000 kg.)
69 Gambar 18-51 menampilkan siklus tertutup untuk
p

gas. Perubahan energi internal di sepanjang jalur ca adalah c

160 J. Energi yang ditransfer ke gas sebagai panas adalah

200 J di sepanjang jalur ab, dan 40 J di sepanjang jalur bc. Sebuah b
Berapa banyak pekerjaan yang dilakukan oleh gas di V.
sepanjang jalur (a) abc dan (b) jalur ab?

70 Di rumah surya tertentu, energi dari Matahari Gambar 18-51

disimpan dalam tong berisi air. Pada musim Soal 69.

dingin tertentu yang terdiri dari lima hari Ts

berawan, 1,00 10 6 kkal dibutuhkan

untuk menjaga bagian dalam rumah di

22,0 C. Diasumsikan bahwa air dalam tong

bersuhu 50,0 C dan kepadatan airnya 1,00

10 3 kg / m 3, apa T ( ° C)

volume air yang dibutuhkan?

71 Sampel 0,300 kg ditempatkan dalam peralatan pendingin yang
menghilangkan energi sebagai panas pada laju konstan02,81 W.Gambar 18-5t2s
Alain Torterotot / Peter Arnold / Photolibrary t ( min)
menunjukkan suhu T dari sam- Gambar 18-52 Soal 71.
Gambar 18-50 Soal 64.

546 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

ple versus waktu t. Skala suhu ditentukan oleh T s 30 C dan sisi es atau ke bawah melalui ujung karena tidak ada perubahan suhu ke

skala waktu ditentukan oleh t s 20 menit. Berapa kalor jenis sampel? arah tersebut. Itu bisa kehilangan energi dan membeku hanya dengan

72 Laju rata-rata di mana energi dialirkan ke luar melalui permukaan mengirimkan energi ke atas (melalui jarak L) ke atas
tanah di Amerika Utara adalah 54,0 mW / m 2, dan konduktivitas termal
rata-rata batuan dekat permukaan adalah 2,50 W / m K. Dengan asumsi es, dimana suhunya T r bisa di bawah 0 C. Ambil L 0,12 m
suhu permukaan 10,0 C, temukan suhu pada kedalaman 35,0 km (dekat
dasar kerak). Abaikan panas yang dihasilkan oleh keberadaan unsur dan T r 5 C. Asumsikan bahwa tabung pusat dan bagian atas
radioaktif.
jalur duction keduanya memiliki luas penampang SEBUAH. Istilah dari SEBUAH,

Berapakah laju (a) energi yang dihantarkan ke atas dan (b) massa diubah dari

cair menjadi es di bagian atas tabung pusat? (c) Pada kecepatan berapa bagian

atas tabung bergerak ke bawah karena pembekuan air

73 Berapakah peningkatan volume kubus aluminium berukuran 5,00 cm pada sebuah sana? Konduktivitas termal es adalah 0,400 W / m K, dan massa jenis air
tepian ketika dipanaskan dari 10,0 C menjadi 60,0 C?
cair adalah 1000 kg / m 3.

74 Dalam serangkaian percobaan, blokir B harus T fs 79 SSM Sampel gas mengembang dari tekanan dan volume awal 10

ditempatkan dalam wadah berinsulasi Pa dan 1,0 m 3 hingga volume akhir 2,0 m 3. Selama pemuaian, tekanan

termal dengan blok SEBUAH, yang memiliki dan volume dihubungkan dengan persamaan

massa yang sama dengan balok B. Di setiap p aV 2, dimana Sebuah 10 N / m 8. Tentukan pekerjaan yang dilakukan oleh gas

percobaan, blokir selama ekspansi ini.

B awalnya pada suhu tertentu- T f ( K)
Tekanan
ture T B, tapi suhu T SEBUAH dari 80 Gambar 18-56 Sebuah menunjukkan silinder yang berisi gas dan ditutup
oleh piston yang dapat digerakkan. Silinder tersebut tetap terendam dalam
blok SEBUAH diubah dari pengalaman- 0 campuran es-air. segera didorong ke bawah dari posisi 1 ke posisi 2 dan
kemudian ditahan di posisi 2 hingga gas kembali ke suhu campuran es-air; itu
untuk bereksperimen. Membiarkan T f mewakili T SEBUAH 1 T SEBUAH 2 kemudian perlahan diangkat kembali ke posisi 1. Gambar 18-56 b adalah pV diagram
suhu akhir dari untuk prosesnya. Jika 100 g es mencair selama siklus, berapa banyak
T SEBUAH ( K) pekerjaan yang telah dilakukan di gas?

dua blok ketika mereka mencapai Gambar 18-53 Soal 74.
kesetimbangan termal di salah satu

ments. Gambar 18-53 menunjukkan suhu T f versus suhu awal T SEBUAH untuk

berbagai kemungkinan nilai T SEBUAH, dari T SEBUAH 1 0K
untuk T SEBUAH 2 500 K. Skala sumbu vertikal ditentukan oleh T fs 400 K. Apa

adalah (a) suhu T B dan (b) rasio c B / c SEBUAH dari panas spesifik dari blok?

1

75 Gambar 18-54 menampilkan siklus p
tertutup untuk gas. Dari c untuk b, 40 J
c 2
Es dan
ditransfer dari gas sebagai panas. Dari b untuk air Mulailah

Sebuah, 130 J ditransfer dari gas sebagai ( Sebuah) V. 2 V. 1
Volume
panas, dan besarnya usaha yang dilakukan ( b)

oleh gas adalah 80 J. Dari Sebuah untuk c, 400 Sebuah b
J ditransfer ke gas sebagai panas. Dari apa

pekerjaan yang dilakukan oleh gas tersebut Sebuah V. Gambar 18-56 Soal 80.

untuk Gambar 18-54 Soal 75.
c? (Petunjuk: Anda perlu menyediakan file
81 SSM Sampel gas di bawah p
tanda plus dan minus untuk data yang diberikan.)
pergi transisi dari keadaan awal

76 Tiga batang lurus dengan panjang yang sama, dari aluminium, Invar, dan baja, Sebuah ke keadaan akhir b oleh tiga jalur (proses) 3 p saya/ 2
semuanya pada 20,0 C, membentuk segitiga sama sisi dengan pin engsel pada
simpul. Berapakah temperatur sudut yang berlawanan dengan batang Invar yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada p- p saya 2
menjadi 59,95? LihatLampiran E untuk rumus trigonometri yang diperlukan dan
Tabel 18-2 untuk data yang diperlukan. V. diagram pada Gambar 18-57, di mana V. b Sebuah 1 b
3
5.00 V. saya. Energi yang ditransfer ke gas sebagai

panas dalam proses 1 adalah 10 p saya V. saya. p saya/ 2

77 SSM Suhu dari 0,700 kg kubus es menurun Istilah dari p saya V. saya, apa (a) energi

sampai 150 C. Kemudian energi secara bertahap ditransfer ke kubus sebagai panas yang ditransfer ke gas sebagai panas V.

sementara sebaliknya secara termal proses 2 dan (b) perubahan energi V. saya V. b

terisolasi dari lingkungannya. Total transfer Tr internal yang dialami gas dalam proses Gambar 18-57 Soal 81.
adalah 0,6993 MJ. Menganggap
3?

nilai dari c Es diberikan dalam Tabel 18-3 Transfer energi 82 Batang tembaga, batang aluminium, dan batang kuningan, masing-masing
berlaku untuk suhu dari Panjang 6,00 m dan diameter 1,00 cm, ditempatkan ujung ke ujung
dengan batang aluminium di antara dua lainnya. Ujung bebas batang
150 C sampai 0 C. Berapakah tembaga dipertahankan pada titik didih air, dan ujung bebas batang
kuningan dipertahankan pada titik beku air. Berapa suhu kondisi-mapan
temperatur akhir air? L (a) sambungan tembaga-aluminium dan (b) sambungan
aluminium-kuningan?
78 Es. Air cair Lapisan cair
melapisi sebuah es yang aktif (tumbuh) (0 ° C) 83 SSM Temperatur piringan Pyrex diubah dari 10,0 C menjadi 60,0 C.
dan memanjang ke atas tabung pendek Air cair Jari-jari awalnya adalah 8,00 cm; ketebalan awalnya adalah
dan sempit di sepanjang sumbu tengah (0 ° C) 0,500 cm. Anggap data ini tepat. Berapa perubahan volume disk? (Lihat
(Gbr. 18-55). Karena antarmuka air-es Tabel 18-2.)
harus bersuhu 0 C, air di dalam tabung Gambar 18-55 Soal 78.
tidak dapat kehilangan energi melalui

MASALAH 547

84 ( a) Hitung kecepatan aliran panas tubuh melalui pakaian pemain ski 0,300 kg air, dan mencapai suhu akhir yang sama dengan air. Jika
dalam proses kondisi-mapan, berdasarkan data berikut: luas permukaan termometer kemudian menunjukkan suhu 44,4 C, berapa suhu air
tubuh adalah 1,8 m 2, dan pakaiannya sebelum termometer dimasukkan?
Tebal 1,0 cm; suhu permukaan kulit adalah 33 C dan permukaan luar
pakaian adalah 1,0 C; konduktivitas termal pakaian adalah 0,040 W / m K. 95 Sampel gas mengembang dari p
(b) Jika, setelah jatuh, pakaian pemain ski menjadi basah oleh air dengan
konduktivitas termal 0,60 W / m K, seberapa besar laju konduksi V. 1 1,0 m 3 dan p 1 40 Pa sampai V. 2 SEBUAH
dikalikan?
4,0 m 3 dan p 2 10 Pa di sepanjang jalan B di p1
85 SSM Sebatang aluminium seberat 2,50 kg dipanaskan hingga 92,0 C
dan kemudian dituangkan ke dalam 8,00 kg air pada suhu 5,00 C. Dengan itu pV diagram pada Gambar 18-58. ini B
asumsi bahwa sistem gumpalan-air diisolasi secara termal, berapakah suhu
kesetimbangan sistem? lalu dikompres kembali menjadi V. 1 di sepanjang

86 Sebuah kaca jendela berukuran tepat 20 cm kali 30 cm pada suhu 10 C. jalur mana pun SEBUAH atau jalan C. Hitung
Berapa luasnya bertambah ketika suhunya 40 C, dengan asumsi ia dapat
mengembang dengan bebas? kerja bersih yang dilakukan oleh gas untuk C
siklus lengkap di sepanjang jalur (a) BA dan p 2
87 Seorang rekrutan dapat bergabung dengan klub semi-rahasia “300 F” di
Stasiun Kutub Selatan Amundsen – Scott hanya ketika suhu luar di bawah 70 C. (b) jalur SM. 0 V. 1 V. 2 V.
Pada hari seperti itu, perekrutan pertama kali berendam di sauna panas dan
kemudian berlari keluar hanya dengan mengenakan sepatu. (Ini, tentu saja, 96 Gambar 18-59 menunjukkan komposit
sangat berbahaya, tetapi ritus tersebut secara efektif merupakan protes
terhadap bahaya dingin yang terus-menerus.) bar panjang L L 1 L 2 dan kontra Gambar 18-58 Soal 95.

Asumsikan bahwa setelah keluar dari sauna, suhu kulit perekrutan sisting dari dua bahan. Satu teman-
adalah 102 F dan dinding, langit-langit, dan lantai ruang sauna memiliki
suhu 30 C. Perkirakan luas permukaan perekrutan, dan ambil emisivitas rial memiliki panjang L 1 dan L1 L2
kulit menjadi 0,80. (a) Apa ap- koefisien muai panjang Sebuah 1;
tarif bersih terdekat P. bersih di mana perekrutan kehilangan energi melalui pertukaran yang lainnya memiliki panjang L 2 dan
radiasi termal dengan ruangan? Selanjutnya, asumsikan bahwa kapan
Di luar ruangan, setengah dari area permukaan perekrutan bertukar koefisien ekspansi linier- L
radiasi termal dengan langit pada suhu 25 C dan setengah lainnya sion Sebuah 2. ( a) Berapa koefisien Gambar 18-59 Soal 96.
bertukar radiasi termal dengan salju dan tanah pada suhu 80 C. Berapa muai panjang Sebuah untuk
perkiraan tingkat bersih di mana perekrutan kehilangan energi melalui
pertukaran radiasi termal dengan (b) langit dan (c) salju dan tanah? bilah komposit? Untuk bilah komposit tertentu, L adalah 52,4 cm, bahan 1

adalah baja, dan bahan 2 adalah kuningan. Jika Sebuah 1.3 10 5 / C,

berapa panjangnya (b) L 1 dan C) L 2?

97 Jika kompor rusak, Anda memutuskan untuk merebus air untuk secangkir

teh dengan mengocoknya di dalam termos. Misalkan Anda menggunakan air

ledeng dengan suhu 19 C, air jatuh 32 cm untuk setiap goyangan, dan Anda

membuat 27 goyangan setiap menit. Dengan mengabaikan hilangnya energi

panas oleh labu, berapa lama (dalam menit) labu harus dikocok sampai air

mencapai suhu 100 C? p
98 Itu pV Diagram pada Gambar 18-60

menunjukkan dua jalur di mana sampel gas dapat p2

diambil dari keadaan Sebuah untuk menyatakan 2

88 Batang baja pada suhu 25,0 C dibaut di kedua ujungnya dan kemudian b, dimana V. b 3.0 V. 1. Jalur 1 membutuhkan
didinginkan. Pada suhu berapa itu akan pecah? Gunakan Tabel 12-1.
energi itu sama dengan 5.0 p 1 V. 1 ditransfer ke p1 1Sebuah b
gas sebagai panas. Jalur 2 membutuhkan
89 Seorang atlet perlu menurunkan berat badan dan memutuskan untuk energi itu sama dengan 5,5 p 1 V. 1 ditransfer
melakukannya dengan "memompa zat besi". (a) Berapa kali beban seberat 80,0 kg
harus diangkat dengan jarak 1,00 m untuk membakar 1,00 pon lemak, dengan ke gas sebagai panas. Berapa rasio V.
asumsi bahwa banyak lemak yang setara dengan 3500 Kal? (b) Jika beban diangkat tio p 2 / p 1? V. 1 V. b
setiap 2,00 detik, berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk tugas tersebut?
99 Kubus dengan panjang tepi 6,0 10 6 m, Gambar 18-60 Soal 98.
emisivitas 0,75, dan suhu 100 C mengapung
90 Segera setelah Bumi terbentuk, panas yang dilepaskan oleh di lingkungan pada suhu 150 C.
peluruhan unsur-unsur radioaktif menaikkan suhu internal rata-rata dari
300 menjadi 3000 K, di mana nilainya tetap hari ini. Dengan asumsi yang dimaksud dengan kecepatan transfer radiasi termal bersih kubus?
koefisien rata-rata ekspansi volume 3,0 10 5 K 1, seberapa besar radius
Bumi meningkat sejak planet itu terbentuk? 100 SEBUAH kalorimeter aliran adalah alat yang digunakan untuk
mengukur kalor jenis suatu zat cair. Energi ditambahkan sebagai panas
91 Es dapat mencair dengan menggosokkan satu balok ke balok lainnya. Berapa pada laju yang diketahui ke aliran cairan saat melewati kalorimeter pada
banyak pekerjaan, dalam joule, yang harus Anda lakukan untuk mendapatkannya laju yang diketahui. Pengukuran perbedaan suhu yang dihasilkan antara
1,00 g es mencair? titik masuk dan keluar aliran cairan memungkinkan kita untuk
menghitung panas jenis cairan. Misalkan cairan dengan massa jenis 0,85
92 Pelat kaca persegi panjang awalnya memiliki dimensi 0,200 m kali g / cm3 3 mengalir melalui kalorimeter dengan kecepatan 8,0 cm 3 / s.
0,300 m. Koefisien muai panjang kaca adalah Ketika energi ditambahkan pada kecepatan 250 W dengan menggunakan
9.00 10 6 / K. Berapakah perubahan luas pelat jika suhu kumparan pemanas listrik, perbedaan suhu 15 C terjadi dalam kondisi
ture meningkat 20,0 K? mapan antara titik masuk dan keluar. Berapa kalor jenis cairan?

93 Misalkan Anda mencegat 5.0 10 3 dari energi yang dipancarkan 101 Sebuah benda bermassa 6,00 kg jatuh melalui ketinggian 50,0 m
dan, dengan menggunakan hubungan mekanis, memutar roda dayung
oleh bola panas yang memiliki radius 0,020 m, emisivitas 0,80, dan suhu yang mengaduk 0,600 kg air. Asumsikan bahwa energi potensial gravitasi
awal benda sepenuhnya ditransfer ke energi termal air, yang awalnya
permukaan 500 K. Berapa banyak energi yang Anda tangkap dalam 2,0 pada suhu 15,0 C. Berapa kenaikan suhu air?

menit?

94 Termometer dengan massa 0,0550 kg dan panas jenis
0,837 kJ / kg K terbaca 15,0 C. Kemudian benar-benar dibenamkan

548 BAB 18 SUHU, PANAS, DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

102 Cermin kaca Pyrex dalam teleskop memiliki diameter 170 inci. 104 Pertimbangkan cairan dalam barometer yang koefisien muai volume
Temperaturnya berkisar antara 16 C hingga 32 C di lokasi teleskop.
Berapakah perubahan maksimum diameter cermin, dengan asumsi kaca adalah 6,6 10 4 / C. Temukan perubahan relatif di
dapat dengan bebas mengembang dan kontrak?
ketinggian cairan jika suhu berubah 12 C sedangkan tekanan tetap

konstan. Abaikan ekspansi tabung kaca.

103 Daerah SEBUAH dari pelat persegi panjang adalah ab 1,4 m 2. Kopinya 105 Jam pendulum dengan pendulum yang terbuat dari kuningan dirancang untuk
menjaga waktu akurat pada suhu 23 C. Asumsikan itu adalah pendulum sederhana
efisiensi ekspansi linier adalah Sebuah 32 10 6 / C. Setelah suhu yang terdiri dari bob di salah satu ujung batang kuningan dengan massa yang dapat
diabaikan yang diputar di ujung lainnya. Jika jam beroperasi pada 0,0 C, (a) apakah
ture rise T 89 C, samping Sebuah lebih lama Sebuah dan samping b lebih lama berjalan terlalu cepat atau terlalu lambat, dan (b) berapa besar kesalahannya dalam
detik per jam?
oleh b ( Gambar 18-61). Mengabaikan jumlah kecil ( ab) / ab,

Temukan SEBUAH.

Sebuah Sebuah 106 Sebuah ruangan diterangi oleh empat bola lampu pijar 100 W. (Daya
100W adalah kecepatan bola lampu mengubah energi listrik menjadi
b ab panas dan energi cahaya tampak.) Dengan asumsi bahwa 73% energi
diubah menjadi panas, berapa banyak panas yang diterima ruangan
b dalam 6,9 jam?

107 Seorang atlet yang energik dapat menggunakan semua energi dari
diet 4000 Kal / hari. Jika ia menggunakan energi ini dengan kecepatan
tetap, berapakah rasio tingkat penggunaan energi dibandingkan dengan
bola lampu 100 W? (Daya 100 W adalah laju di mana bohlam mengubah
energi listrik menjadi panas dan energi cahaya tampak.)

Gambar 18-61 Soal 103. 108 Sebuah Buick seberat 1.700 kg yang bergerak dengan kecepatan 83 km / jam
mengerem hingga berhenti, dengan perlambatan yang seragam dan tanpa selip,
pada jarak 93 m. Pada tingkat rata-rata berapa energi mekanik ditransfer ke energi
panas dalam sistem rem?