Perhitungan jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu benda atau dilepaskan olehnya selama pendinginan. Jumlah panas: konsep, perhitungan, aplikasi

Perubahan energi dalam akibat melakukan usaha ditandai dengan besarnya usaha, yaitu. usaha adalah ukuran perubahan energi dalam pada suatu proses tertentu. Perubahan energi dalam suatu benda selama perpindahan panas ditandai dengan suatu besaran yang disebut jumlah panas.

adalah perubahan energi dalam suatu benda selama proses perpindahan panas tanpa melakukan usaha. Jumlah panas ditunjukkan dengan surat itu Q .

Kerja, energi dalam, dan panas diukur dalam satuan yang sama - joule ( J), seperti semua jenis energi.

Dalam pengukuran termal, satuan energi khusus sebelumnya digunakan sebagai satuan besaran panas - kalori ( kotoran), sama dengan banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sebesar 1 derajat celcius (lebih tepatnya, dari 19,5 hingga 20,5°C). Satuan ini khususnya saat ini digunakan dalam menghitung konsumsi panas (energi panas) di gedung apartemen. Persamaan mekanis panas telah ditetapkan secara eksperimental - hubungan antara kalori dan joule: 1 kal = 4,2 J.

Apabila suatu benda memindahkan sejumlah panas tanpa melakukan kerja, maka energi internalnya bertambah; jika suatu benda mengeluarkan sejumlah panas, maka energi internalnya berkurang.

Jika Anda menuangkan 100 g air ke dalam dua bejana yang identik, satu dan 400 g ke dalam bejana lainnya dengan suhu yang sama dan meletakkannya di atas pembakar yang sama, maka air di bejana pertama akan mendidih lebih awal. Jadi, semakin besar massa suatu benda, semakin besar jumlah panas yang dibutuhkan untuk melakukan pemanasan. Sama halnya dengan pendinginan.

Jumlah kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan suatu benda juga bergantung pada jenis zat yang membentuk benda tersebut. Ketergantungan jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan suatu benda pada jenis zat dicirikan oleh besaran fisika yang disebut kapasitas panas spesifik zat.

adalah besaran fisis yang sama dengan jumlah kalor yang harus diberikan kepada 1 kg suatu zat untuk memanaskannya sebesar 1 °C (atau 1 K). 1 kg suatu zat melepaskan kalor yang sama jika didinginkan sebesar 1 °C.

Kapasitas panas spesifik ditunjukkan dengan huruf Dengan. Satuan kapasitas panas spesifik adalah 1 J/kg °C atau 1 J/kg °K.

Kapasitas panas spesifik suatu zat ditentukan secara eksperimental. Cairan memiliki kapasitas panas spesifik yang lebih tinggi dibandingkan logam; Air mempunyai kalor jenis paling tinggi, emas mempunyai kalor jenis yang sangat kecil.

Karena jumlah kalor sama dengan perubahan energi dalam suatu benda, maka kita dapat mengatakan bahwa kapasitas kalor jenis menunjukkan seberapa besar perubahan energi dalam. 1kg suatu zat ketika suhunya berubah sebesar 1 °C. Secara khusus, energi dalam 1 kg timbal meningkat sebesar 140 J bila dipanaskan sebesar 1 °C, dan berkurang sebesar 140 J bila didinginkan.

Q = c ∙ m (t 2 - t 1)

Rumus yang sama digunakan untuk menghitung jumlah panas yang dikeluarkan suatu benda saat mendingin. Hanya dalam hal ini suhu akhir harus dikurangi dari suhu awal, yaitu. Kurangi suhu yang lebih kecil dari suhu yang lebih besar.

Ini adalah ringkasan topiknya “Kuantitas panas. Panas spesifik". Pilih langkah selanjutnya:

• Lanjutkan ke ringkasan berikutnya:

Dalam pelajaran ini kita akan belajar bagaimana menghitung jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan suatu benda atau yang dilepaskannya saat mendingin. Untuk melakukan ini, kami akan merangkum pengetahuan yang diperoleh pada pelajaran sebelumnya.

Selain itu, kita akan belajar, dengan menggunakan rumus jumlah kalor, untuk menyatakan besaran yang tersisa dari rumus ini dan menghitungnya, dengan mengetahui besaran lainnya. Contoh masalah dengan solusi untuk menghitung jumlah panas juga akan dipertimbangkan.

Pelajaran ini dikhususkan untuk menghitung jumlah kalor ketika suatu benda dipanaskan atau dilepaskan ketika didinginkan.

Kemampuan menghitung jumlah panas yang dibutuhkan sangatlah penting. Hal ini mungkin diperlukan, misalnya, ketika menghitung jumlah panas yang perlu diberikan ke air untuk memanaskan ruangan.

Beras. 1. Banyaknya kalor yang harus diberikan pada air untuk memanaskan ruangan

Atau untuk menghitung jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar di berbagai mesin:

Beras. 2. Banyaknya panas yang dikeluarkan pada saat bahan bakar dibakar di dalam mesin

Pengetahuan ini juga diperlukan, misalnya untuk menentukan jumlah panas yang dilepaskan Matahari dan jatuh ke Bumi:

Beras. 3. Banyaknya panas yang dilepaskan Matahari dan jatuh ke Bumi

Untuk menghitung jumlah kalor, Anda perlu mengetahui tiga hal (Gbr. 4):

• berat badan (yang biasanya dapat diukur dengan menggunakan timbangan);
• perbedaan suhu dimana suatu benda harus dipanaskan atau didinginkan (biasanya diukur menggunakan termometer);
• kapasitas panas spesifik suatu benda (yang dapat ditentukan dari tabel).

Beras. 4. Apa yang perlu Anda ketahui untuk menentukannya

Rumus yang digunakan untuk menghitung jumlah panas adalah sebagai berikut:

Besaran berikut muncul dalam rumus ini:

Jumlah panas yang diukur dalam joule (J);

Kapasitas kalor jenis suatu zat diukur dalam ;

- perbedaan suhu, diukur dalam derajat Celcius ().

Mari kita perhatikan masalah menghitung jumlah panas.

Tugas

Gelas tembaga bermassa gram berisi air dengan volume liter pada suhu tertentu. Berapa kalor yang harus dipindahkan ke dalam segelas air agar suhunya menjadi sama dengan ?

Beras. 5. Ilustrasi kondisi permasalahan

Pertama kita tuliskan kondisi singkatnya ( Diberikan) dan mengkonversi semua besaran ke sistem internasional (SI).

Larutan:

Pertama, tentukan besaran lain yang kita perlukan untuk menyelesaikan soal ini. Dengan menggunakan tabel kapasitas kalor jenis (Tabel 1) kita mencari (kapasitas kalor jenis tembaga, karena menurut syarat gelasnya adalah tembaga), (kapasitas kalor jenis air, karena menurut syarat ada air di dalam gelas). Selain itu, kita mengetahui bahwa untuk menghitung jumlah kalor kita memerlukan massa air. Sesuai syarat, kita hanya diberikan volumenya saja. Oleh karena itu, dari tabel kita ambil massa jenis air: (Tabel 2).

Meja 1. Kapasitas panas spesifik zat tertentu,

Meja 2. Massa jenis beberapa zat cair

Sekarang kami memiliki semua yang kami butuhkan untuk mengatasi masalah ini.

Perhatikan bahwa jumlah kalor akhir akan terdiri dari jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan gelas tembaga dan jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan air di dalamnya:

Mari kita hitung dulu jumlah kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan gelas tembaga:

Sebelum menghitung banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan air, mari kita hitung massa air menggunakan rumus yang sudah kita kenal sejak kelas 7:

Sekarang kita dapat menghitung:

Kemudian kita dapat menghitung:

Mari kita ingat apa arti kilojoule. Awalan “kilo” artinya adalah.

Menjawab:.

Untuk memudahkan penyelesaian masalah mencari jumlah kalor (yang disebut masalah langsung) dan besaran yang terkait dengan konsep ini, Anda dapat menggunakan tabel berikut.

Apa yang lebih cepat panas di atas kompor - ketel atau seember air? Jawabannya jelas - teko. Lalu pertanyaan kedua adalah mengapa?

Jawabannya juga tidak kalah jelasnya - karena massa air di dalam ketel lebih sedikit. Besar. Dan sekarang Anda dapat melakukan pengalaman fisik nyata sendiri di rumah. Untuk melakukan ini, Anda memerlukan dua panci kecil yang identik, air dan minyak sayur dalam jumlah yang sama, misalnya masing-masing setengah liter dan kompor. Tempatkan panci berisi minyak dan air dengan api yang sama. Sekarang lihat saja apa yang akan memanas lebih cepat. Jika Anda memiliki termometer untuk cairan, Anda dapat menggunakannya; jika tidak, Anda cukup menguji suhunya dengan jari Anda dari waktu ke waktu, namun berhati-hatilah agar tidak terbakar. Bagaimanapun, Anda akan segera melihat bahwa minyak memanas lebih cepat daripada air. Dan satu pertanyaan lagi, yang juga bisa diimplementasikan dalam bentuk pengalaman. Mana yang lebih cepat mendidih - air hangat atau dingin? Semuanya menjadi jelas lagi - yang hangat akan menjadi yang pertama di garis finis. Mengapa semua pertanyaan dan eksperimen aneh ini? Untuk menentukan besaran fisis disebut “jumlah kalor”.

Jumlah panas

Jumlah panas adalah energi yang hilang atau diperoleh suatu benda selama perpindahan panas. Ini jelas dari namanya. Saat didinginkan, tubuh akan kehilangan sejumlah panas, dan saat dipanaskan, tubuh akan menyerap. Dan jawaban atas pertanyaan kami ditunjukkan kepada kami Jumlah panas bergantung pada apa? Pertama, semakin besar massa suatu benda, semakin besar pula jumlah kalor yang harus dikeluarkan untuk mengubah suhunya sebesar satu derajat. Kedua, jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan suatu benda bergantung pada zat penyusunnya, yaitu jenis zat. Dan ketiga, perbedaan suhu tubuh sebelum dan sesudah perpindahan panas juga penting untuk perhitungan kita. Berdasarkan hal di atas, kita bisa tentukan besarnya kalor dengan rumus:

di mana Q adalah jumlah panas,
m - berat badan,
(t_2-t_1) - perbedaan antara suhu tubuh awal dan akhir,
c adalah kapasitas panas spesifik suatu zat, ditemukan dari tabel yang sesuai.

Dengan menggunakan rumus ini, Anda dapat menghitung jumlah panas yang diperlukan untuk memanaskan suatu benda atau yang akan dilepaskan oleh benda tersebut saat mendingin.

Jumlah panas diukur dalam joule (1 J), seperti jenis energi lainnya. Namun, nilai ini diperkenalkan belum lama ini, dan orang-orang mulai mengukur jumlah panas jauh lebih awal. Dan mereka menggunakan satuan yang banyak digunakan di zaman kita - kalori (1 kal). 1 kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius. Berpedoman pada data tersebut, mereka yang suka menghitung kalori dalam makanan yang disantapnya bisa sekadar iseng menghitung berapa liter air yang bisa direbus dengan energi yang dikonsumsinya sepanjang hari.

Energi internal suatu benda berubah ketika kerja dilakukan atau perpindahan panas. Pada fenomena perpindahan panas, energi dalam berpindah secara konduksi, konveksi, atau radiasi.

Setiap benda, ketika dipanaskan atau didinginkan (melalui perpindahan panas), memperoleh atau kehilangan sejumlah energi. Berdasarkan hal ini, jumlah energi ini lazim disebut jumlah panas.

Jadi, jumlah panas adalah energi yang diberikan atau diterima suatu benda selama proses perpindahan panas.

Berapa kalor yang diperlukan untuk memanaskan air? Dengan menggunakan contoh sederhana, Anda dapat memahami bahwa memanaskan air dalam jumlah yang berbeda akan memerlukan jumlah panas yang berbeda pula. Katakanlah kita mengambil dua tabung reaksi yang berisi 1 liter air dan 2 liter air. Dalam hal apa diperlukan lebih banyak panas? Yang kedua, ada 2 liter air di dalam tabung reaksi. Tabung reaksi kedua akan membutuhkan waktu lebih lama untuk memanas jika kita memanaskannya dengan sumber api yang sama.

Jadi, besarnya panas bergantung pada massa tubuh. Semakin besar massanya, semakin besar jumlah panas yang dibutuhkan untuk pemanasan dan, karenanya, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mendinginkan tubuh.

Jumlah panasnya bergantung pada apa lagi? Wajar saja dari perbedaan suhu tubuh. Tapi itu belum semuanya. Lagi pula, jika kita mencoba memanaskan air atau susu, kita memerlukan waktu yang berbeda-beda. Artinya, ternyata besarnya panas bergantung pada zat penyusun tubuh.

Akibatnya, ternyata jumlah kalor yang diperlukan untuk pemanasan atau jumlah kalor yang dilepaskan ketika suatu benda mendingin bergantung pada massanya, perubahan suhu, dan jenis zat yang membentuk benda tersebut. tersusun.

Bagaimana jumlah panas diukur?

Di belakang satuan panas itu diterima secara umum 1 Joule. Sebelum munculnya satuan pengukuran energi, para ilmuwan menganggap jumlah panas sebagai kalori. Satuan ukuran ini biasanya disingkat “J”

Kalori- ini adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius. Bentuk singkatan dari pengukuran kalori adalah “cal”.

1 kal = 4,19 J.

Harap dicatat bahwa dalam satuan energi ini biasanya menunjukkan nilai gizi makanan dalam kJ dan kkal.

1 kkal = 1000 kal.

1 kJ = 1000J

1 kkal = 4190 J = 4,19 kJ

Berapa kapasitas panas spesifik

Setiap zat di alam memiliki sifatnya masing-masing, dan memanaskan setiap zat memerlukan jumlah energi yang berbeda, yaitu. jumlah panas.

Kapasitas panas spesifik suatu zat- ini adalah besaran yang sama dengan jumlah panas yang perlu dipindahkan ke suatu benda bermassa 1 kilogram untuk memanaskannya hingga suhu 1 0 C

Kapasitas kalor jenis dilambangkan dengan huruf c dan mempunyai nilai ukur J/kg*

Misalnya, kapasitas kalor jenis air adalah 4200 J/kg* 0 C. Artinya, ini adalah jumlah kalor yang perlu dipindahkan ke 1 kg air untuk memanaskannya sebesar 1 0 C

Harus diingat bahwa kapasitas panas spesifik zat dalam keadaan agregasi berbeda-beda. Artinya, memanaskan es sebanyak 1 0 C akan membutuhkan jumlah panas yang berbeda.

Cara menghitung banyaknya kalor untuk memanaskan suatu benda

Misalnya, kita perlu menghitung banyaknya kalor yang perlu dikeluarkan untuk memanaskan 3 kg air dari suhu 15. 0 C sampai suhu 85 0 C. Kita mengetahui kapasitas kalor jenis air, yaitu banyaknya energi yang diperlukan untuk memanaskan 1 kg air sebesar 1 derajat. Artinya, untuk mengetahui jumlah kalor dalam kasus kita, Anda perlu mengalikan kapasitas kalor jenis air dengan 3 dan dengan jumlah derajat yang ingin Anda naikkan suhu airnya. Jadi itu 4200*3*(85-15) = 882.000.

Dalam tanda kurung, kami menghitung jumlah derajat pastinya, mengurangkan hasil awal dari hasil akhir yang diperlukan

Jadi, untuk memanaskan 3 kg air dari 15 menjadi 85 0 C, kita memerlukan kalor sebesar 882.000 J.

Banyaknya kalor dilambangkan dengan huruf Q, rumus menghitungnya adalah sebagai berikut:

Q=c*m*(t 2 -t 1).

Analisis dan pemecahan masalah

Masalah 1. Berapa kalor yang diperlukan untuk memanaskan 0,5 kg air dari 20 menjadi 50 0 C

Diberikan:

m = 0,5kg.,

s = 4200 J/kg* 0 C,

t 1 = 20 0 C,

t 2 = 50 0 C.

Kami menentukan kapasitas panas spesifik dari tabel.

Larutan:

2 -t 1 ).

Gantikan nilainya:

Q=4200*0,5*(50-20) = 63.000 J = 63 kJ.

Menjawab: Q = 63 kJ.

Tugas 2. Berapa kalor yang diperlukan untuk memanaskan batang alumunium bermassa 0,5 kg kali 85 0 C?

Diberikan:

m = 0,5kg.,

s = 920 J/kg* 0 C,

t 1 = 0 0 C,

t 2 = 85 0 C.

Larutan:

banyaknya kalor ditentukan dengan rumus Q=c*m*(t 2 -t 1 ).

Gantikan nilainya:

Q=920*0,5*(85-0) = 39.100 J = 39,1 kJ.

Menjawab: Q= 39,1 kJ.

PERTUKARAN PANAS.

1. Pertukaran panas.

Pertukaran panas atau perpindahan panas adalah proses pemindahan energi dalam suatu benda ke benda lain tanpa melakukan usaha.

Ada tiga jenis perpindahan panas.

1) Konduktivitas termal- Ini adalah pertukaran panas antar benda selama kontak langsung.

2) Konveksi- Ini adalah pertukaran panas di mana panas dipindahkan melalui aliran gas atau cairan.

3) Radiasi– Ini adalah pertukaran panas melalui radiasi elektromagnetik.

2. Jumlah panas.

Jumlah panas adalah ukuran perubahan energi internal suatu benda selama pertukaran panas. Dilambangkan dengan surat itu Q.

Satuan untuk mengukur besarnya kalor = 1 J.

Jumlah panas yang diterima suatu benda dari benda lain sebagai akibat pertukaran panas dapat digunakan untuk meningkatkan suhu (meningkatkan energi kinetik molekul) atau mengubah keadaan agregasi (meningkatkan energi potensial).

3. Kapasitas kalor jenis suatu zat.

Pengalaman menunjukkan bahwa banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan suatu benda bermassa m dari suhu T 1 ke suhu T 2 sebanding dengan massa benda m dan perbedaan suhu (T 2 - T 1), yaitu.

Q = cm(T 2 - T 1 ) = sMΔ T,

Dengan disebut kapasitas panas spesifik zat benda yang dipanaskan.

Kapasitas kalor jenis suatu zat sama dengan jumlah kalor yang harus diberikan kepada 1 kg zat untuk memanaskannya sebesar 1 K.

Satuan pengukuran kapasitas panas spesifik =.

Nilai kapasitas panas berbagai zat dapat dilihat pada tabel fisika.

Jumlah kalor Q yang sama persis akan dilepaskan ketika benda didinginkan sebesar ΔT.

4. Panas spesifik penguapan.

Pengalaman menunjukkan bahwa jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah suatu zat cair menjadi uap sebanding dengan massa zat cair tersebut, yaitu.

Q = Lm,

dimana adalah koefisien proporsionalitas L disebut panas spesifik penguapan.

Kalor jenis penguapan sama dengan jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg cairan pada titik didih menjadi uap.

Satuan pengukuran panas spesifik penguapan.

Selama proses sebaliknya, kondensasi uap, panas dilepaskan dalam jumlah yang sama dengan yang dikeluarkan untuk pembentukan uap.

5. Panas peleburan spesifik.

Pengalaman menunjukkan bahwa jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah zat padat menjadi cairan sebanding dengan massa benda, yaitu.

Q = λ M,

dimana koefisien proporsionalitas λ disebut panas spesifik peleburan.

Kalor jenis peleburan sama dengan jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah benda padat bermassa 1 kg menjadi cair pada titik lelehnya.

Satuan pengukuran panas spesifik peleburan.

Selama proses sebaliknya, kristalisasi cairan, panas dilepaskan dalam jumlah yang sama dengan yang dikeluarkan untuk peleburan.

6. Panas spesifik pembakaran.

Pengalaman menunjukkan bahwa jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran sempurna bahan bakar sebanding dengan massa bahan bakar, yaitu.

Q = QM,

Dimana koefisien proporsionalitas q disebut kalor jenis pembakaran.

Kalor jenis pembakaran sama dengan jumlah kalor yang dilepaskan selama pembakaran sempurna 1 kg bahan bakar.

Satuan pengukuran panas spesifik pembakaran.

7. Persamaan keseimbangan panas.

Pertukaran panas melibatkan dua benda atau lebih. Beberapa benda mengeluarkan panas, sementara yang lain menerimanya. Pertukaran panas terjadi sampai suhu benda menjadi sama. Menurut hukum kekekalan energi, jumlah kalor yang dilepaskan sama dengan jumlah kalor yang diterima. Atas dasar ini, persamaan keseimbangan panas ditulis.

Mari kita lihat sebuah contoh.

Sebuah benda bermassa m 1 yang kapasitas kalornya c 1 mempunyai suhu T 1, dan benda yang bermassa m 2 yang kapasitas kalornya c 2 mempunyai suhu T 2. Selain itu, T 1 lebih besar dari T 2. Badan-badan ini saling berhubungan. Pengalaman menunjukkan bahwa benda dingin (m 2) mulai memanas, dan benda panas (m 1) mulai mendingin. Hal ini menunjukkan bahwa sebagian energi internal benda panas dipindahkan ke benda dingin, dan suhu menjadi seimbang. Mari kita nyatakan suhu keseluruhan akhir dengan θ.

Jumlah panas yang berpindah dari benda panas ke benda dingin

Q ditransfer. = C 1 M 1 (T 1 – θ )

Jumlah panas yang diterima benda dingin dari benda panas

Q diterima. = C 2 M 2 (θ – T 2 )

Menurut hukum kekekalan energi Q ditransfer. = Q diterima., yaitu.

C 1 M 1 (T 1 – θ )= C 2 M 2 (θ – T 2 )

Mari kita buka tanda kurung dan nyatakan nilai suhu tunak total θ.

Dalam hal ini, kita memperoleh nilai suhu θ dalam kelvin.

Namun, karena Q diteruskan dalam ekspresi. dan Q diterima. adalah selisih dua suhu, dan sama baik dalam Kelvin maupun derajat Celcius, maka perhitungannya dapat dilakukan dalam derajat Celcius. Kemudian

Dalam hal ini, kita memperoleh nilai suhu θ dalam derajat Celcius.

Penyetaraan suhu akibat konduktivitas termal dapat dijelaskan berdasarkan teori kinetik molekuler sebagai pertukaran energi kinetik antar molekul pada saat tumbukan dalam proses gerak kacau termal.

Contoh ini dapat diilustrasikan dengan grafik.