butiran

heat

Panas belum secara formal dikenal sebagai suatu bentuk energy sampai tahun 1798 saat Sir Benjamin Thompson, count von Rumford, menyadari bahwa panas dengan jumlah tak terbatas dapat dihasilkan dalam pengeboran barel kanon dan jumlah panas yang dihasilkan proporsional dengan kerja yang diberikan dalam memutar alat bor [ 1 ]. Kegiatan ini dikenal sebagai eksperimen pengeboran kanon (cannon boring experiment) yang dapat mendidihkan air dengan panas yang dihasilkan dari gesekan terus-menerus saat mengebor kanon [ 2 ]. Secara umum panas didefinisikan sebagai aliran energy dari lingkungan ke sistem, dengan lingkungan dianggap sebagai suatu kolam panas (thermal bath) bertemperatur tertentu, di mana aliran energi ini dipandang berbeda dengan usaha karena energi dari usaha dapat dimanfaatkan akan tetapi tidak dengan panas [ 3 ] atau secara lebih sederhana dalah energy yang ditransfer ke atau dari suatu sistem termodinamika dengan mekanisme selain kerja termodinamika atau transfer materi [ 4 ], yang dapat berlangsung bila terdapat perbedaan temperatur antara dua hal [ 5 ], e.g. sistem dan lingkungan, sehingga dapat pula dikatakan sebagai energi termal yang ditransfer dari system yang lebih panas ke sistem yang lebih dingin, dengan kedua sistem berkontak [ 6 ]. Saat membahas termodinamika gas kadang panas tidak didefinisikan dengan jelas, melainkan langsung dikaitkan dengan kapasitas panas [ 7 ].

symbol and unit

Panas, atau lebih tepatnya energi panas, diberi simbol $Q$ dengan satuannya adalah $J$ atau $\rm joule$ [ 8 ]. Dikarenakan panas merupakan salah satu bentuk energi ia dapat diubah ke dalam bentuk energi lainnya.

heat transfer

Panas dirambatkan melalui berbagai mekanisme yang dikenal sebagai mekanisme perambatan panas, yang merupakan cara energi termal dapat ditransfer antar obyek, di mana hal ini tergantung pada prinsip dasar bahwa energi kinetik partikel atau panas ingin mencapai kesetimbangan atau berada pada keadaan energi yang sama [ 9 ]. Selain konduksi, konveksi, dan radiasi [ 10 ], terdapat pula vaporasi [ 11 ] dan adveksi [ 12 ].

conduction

Panas dirambatkan melalui peristiwa konduksi terjadi umumnya terjadi dalam padatan atau dua benda yang saling kontak. Molekul-molekul padatan mengalami agitasi termal dan mentransfer energi kinetik molekul-molekulnya dari yang memiliki laju lebih tinggi ke yang memiliki laju lebih rendah, di mana yang pertama disebut bertemperatur lebih tinggi dan yang kedua bertemperatur lebih rendah. Pada mekanisme ini tidak ada pergerakan materi secara keseluruhan.

convection

Pada konveksi panas dirambatkan dengan bergeraknya fluida menjauhi sumber panas menuju tempat-tempat yang bertemperatur lebih rendah dari sumber panas. Hal ini terjadi karena pada daerah bertemperatur lebih tinggi fluida memiliki densitas lebih rendah, sedangkan pada tempat yang bertemperatur lebih rendah densitas fluidanya lebih tinggi. Tidak homogennya kerapatan massa ini membuat ketidaksetimbangan gaya-gaya sehingga fluida bersirkulasi membawa energi panas untuk mencapai kesetimbangan.

radiation

Radiasi termal merupakan tranfer energi melalui emisi gelombang elektromagnetik yang membawa energi menjauhi obyek pemancarnya. Tidak ada materi yang dirambatkan, melainkan hanya medan listrik dan magnetik.

vaporization

Saat sebagian cairan menguap, bagian ini mendinginkan bagian fluida yang tertinggal karena bagian ini perlu mengambil energi panas untuk mengatasi panas vaporasi (kalor uap) agar dapat berubah fasanya dari keadaan cair menjadi keadaan gas.

adveksi

Adveksi merupakan mekanisma pergerakan fluida dari satu tempat ke tempat lain yang bergantung pada gerak dan momentum fluida. Saat fluida ini bergerak panas dapat ikut terbawa dari atau ikut tiba pada suatu lokasi tertentu.

Perbedaan mendasar dari konveksi dan adveksi adalah penggerak fluidanya, di mana pada konveksi panas menjadi penggerak sedangkan pada adveksi fluida telah bergerak dan membantu terjadi proses transfer panas, sehingga adveksi bergantung pada arus fluida yang ada [ 13 ].

temperature change

Terdapat konvensi saat panas masuk ke sistem atau keluar dari sistem. Transfer panas ke suatu sistem diberi tanda positif dan transfer panas dari suatu sistem diberi tanda negatif, yang berarti bahwa setiap transfer panas yang meningkatkan energi sistem bertanda positif, dan setiap transfer panas yang menurunkan energi sistem bertanda negatif [ 14 ]. Energi sistem yang dimaksud adalah energi termal yang kenaikannya terindikasi dengan kenaikan temperatur [ 15 ], sehingga saat panas masuk ke sistem temperatur sistem akan meningkat dan saat panas keluar dari sistem temperatur sistem akan menurun.

![]({{ site.baseurl }}/assets/img/0/16/0160-a.png)
Gambar 1. Ilustrasi panas masuk ke sistem akan menaikkan temperatur sistem (atas) dan panas keluar dari sistem akan menurutkan temperatur sistem (bawah).

Tanda $+$ dan $-$ pada panas $Q$ yang masuk ke dan keluar dari sistem sehingga akan menaikkan dan menurunkan energi termal sistem dalam bentuk naik dan turunnya temperatur diberikan pada Gambar 1 . Dalam beberapa pembahasan selisih waktu $\Delta$ terjadinya perubahan temparatur $T$ kadang tidak dibahas karena hanya mengamati sistem setelah kesetimbangan termal tercapai. Ilustrasi dengan adanya tanda waktu $t$ dan $t+\Delta$ disampaikan untuk mengingatkan bahwa kenaikan temperatur tidak berlangsung seketika melainkan memerlukan waktu.

Untuk berbagai bahan, meliputi rentang temperatur tertentu, perubahan temperatur bahan $\Delta T$ setidaknya mendekati proporsional dengan jumlah panas $Q$ yang memasuki bahan tersebut

\begin{equation}\label{eqn-heat-temperature-proportional} \Delta T \propto Q, \end{equation}

dengan tanda $\Delta T$ akan menyesuaikan dengan tanda $Q$, yang kemudian dengan memperkenalkan konstanta proporsionalitas $C^{-1}$ dapat diperoleh

$$ \Delta T = \frac1C Q, $$

yang lebih umum dituliskan sebagai

\begin{equation}\label{eqn-heat-capacity} Q = C \Delta T, \end{equation}

dengan $C$ adalah kapasitas panas, sehingga persamaan ini menyatakan bahwa panas yang perlu diasup ke sistem agar temperaturnya berubah sebesar $\Delta T$ adalah kapasitas panas $C$ dikalikan perubahan temperatur $\Delta T$ yang diharapkan [ 15 ].

Sumber-sumber panas $Q$ untuk mengubah temperatur sistem sebesar $\Delta T$ dapat melalui berbagai mekanisme yang telah disinggung sebelumnya, seperti konduksi, konveksi, radiasi, vaporasi, dan adveksi.

Persamaa \eqref{eqn-heat-capacity} dapat pula dilihat dari sudut pandang lain, bahwa $C$ menggambarkan seberapa besar kalor $Q$ yang diperlukan untuk menaikkan temperatur sebesar $\Delta T$, yang artinya bahan dengan $C$ kecil memerlukan $Q$ lebih kecil untuk mendapatkan $\Delta T$ yang sama dibandingkan dengan benda dengan $C$ lebih besar. Sebagai ilustrasi $C_{\rm H_2O \ (l)} = 4186 \ \rm J/kg\cdot C^\circ$ dan $C_{\rm Cu \ (s)} = 387 \ \rm J/kg\cdot C^\circ$, sehingga dapat terlihat bahwa untuk mencapai perubahan temperatur yang sama diperlukan untuk air diperlukan kalor lebih besar ketimbang untuk tembaga.

exer

  1. Komputer pemain permainan komputer kadang memerlukan pendingin berbasis air, tidak lagi cukup hanya dengan kipas angin. Termasuk dalam mekanisme pendingingan ini, baik menggunakan air ataupun kipas? Mengapa?
  2. Saat cuaca dingin kita kadang menggosok-gosokkan kedua telapak tangan agar menjadi hangat. Sistem meningkat temperaturnya, yaitu kedua telapak tangan, karena ada kalor yang masuk ke dalam sistem. Apakah sumber kalornya?
  3. Dengan memperhatikan Gambar 1 apa yang terjadi pada temperatur sistem bila kalor yang masuk ke dan keluar dari sistem bernilai sama?
  4. Terdapat dua bahan dengan kapasitas panas $C_1$ dan $C_2$, dengan $C_2 > C_1$. Dengan kalor $Q$ yang sama, bagaimana perubahan temperatur kedua bahan?
  5. Apa perbedaan perambatan panas melalui konveksi dan adveksi?

note

  1. Gordon W. F. Drake, Barbara A. Schreiber, Aakanksha Gaur, Erik Gregersen, William L. Hosch, Dutta Promeet, Marco Sampaolo, Shiveta Singh, Surabhi Sinha, Grace Young, The Editors of Encyclopaedia Britannica, “thermodynamics”, Encyclopædia Britannica, 1 Jun 2021, url https://www.britannica.com/science/thermodynamics [20211116].
  2. “Cannon boring experiment”, Hmolpedia, 2020, url https://www.eoht.info/page/Cannon%20boring%20experiment [20211116].
  3. Manabendra N. Bera, Arnau Riera, Maciej Lewenstein, Andreas Winter, “Generalized laws of thermodynamics in the presence of correlations”, Nature Communications, vol. 8, no., art. 2180, Dec 2017, url https://doi.org/10.1038/s41467-017-02370-x .
  4. Wikipedia contributors, “Heat”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, 15 July 2021, 12:33 UTC, url https://en.wikipedia.org/w/index.php?oldid=1033722529 [20211116].
  5. Jim Lucas, “What is Thermodynamics?”, Live Science, 8 May 2015, url https://www.livescience.com/50776-thermodynamics.html [20211116].
  6. “Heat and temperature”, Khan Academy, url https://www.khanacademy.org/science/chemistry/thermodynamics-chemistry/internal-energy-sal/a/heat [20211116].
  7. Michael Fowler, “Ideal Gas Thermodynamics: Specific Heats, Isotherms, Adiabats”, Physics 152: Gravity, Fluids, Waves, Heat, University of Virginia, Spring, 2002, url https://galileo.phys.virginia.edu/classes/152.mf1i.spring02/home.htm [20211116].
  8. Glenn Elert, “”, The Physics Hypertextbook, 2021, url <> [20211116].
  9. Ethan Boechler, Jordan Hanania, James Jenden, Scott Kosasih, Kailyn Stenhouse, Jasdeep Toor, Jason Donev, “Heat transfer mechanisms”, Energy Education, 27 Sep 2021, url https://energyeducation.ca/encyclopedia/Heat_transfer_mechanisms [20211116].
  10. The Editors of Encyclopaedia Britannica, Adam Augustyn, Aakanksha Gaur, Erik Gregersen, Kanchan Gupta, Thinley Kalsang Bhutia, Deepti Mahajan, Kara Rogers, “heat transfer”, Encyclopædia Britannica, 04 Jul 2019, url https://www.britannica.com/science/heat-transfer [20211116].
  11. Carl R. Nave, “Heat Transfer”, HyperPhysics, 2017, url http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html [20211116].
  12. Wikipedia contributors, “Heat transfer”, Wikipedia, The Free Encyclopedia, 8 November 2021, 08:36 UTC, url https://en.wikipedia.org/w/index.php?oldid=1054138642 [20211116].
  13. Lee Johnson, Lana Bandoim, “The Difference between Convection & Advection Heat Transfers”, Sciencing, 31 Mar 2020, url https://sciencing.com/difference-convection-advection-heat-transfers-8479535.html [20211116]
  14. Majid Bahrami, “1st Law of Thermodynamics: Closed Systems”, ENSC 388 Engineering Thermodynamics and Heat Transfer, School of Mechatronic Systems Engineering, Faculty of Applied Science, Simon Fraser University, Canada, Fall 2009, url https://www.sfu.ca/~mbahrami/ENSC%20388/Notes/First%20Law%20of%20Thermodynamics_Closed%20Systems.pdf [20211116].
  15. Jeffrey W. Schnick, “Temperature, Internal Energy, Heat and Specific Heat Capacity”, in Calculus-Based Physics, LibreTexts, 6 Nov 2020, url https://phys.libretexts.org/@go/page/5691 [20211116].

 

internal energy • heat capacity of gas • heat transfer {% comment %} • {% endcomment %}