Tabla de Contenidos
Kapasitas kalor molar didefinisikan sebagai jumlah energi dalam bentuk kalor yang harus dipindahkan ke satu mol zat untuk menaikkan suhunya sebesar satu satuan. Ini juga disebut kapasitas panas molar atau kapasitas panas molar. Ini adalah sifat materi yang intensif , jadi hanya bergantung pada komposisi suatu zat dan karakteristik fisikokimianya. Ini termasuk keadaan agregasi, atom yang menyusunnya, dan strukturnya.
Banyak besaran termodinamika molar, termasuk kapasitas panas molar, biasanya diwakili oleh simbol yang sama dari besaran luas masing-masing dengan sebuah batang di atasnya. Dengan kata lain, kapasitas kalor molar biasanya direpresentasikan (dan masih ada di beberapa buku teks) dengan simbol C̅ (C bar). Namun, mungkin karena kemungkinan kebingungan dengan besaran rata-rata yang juga biasanya diwakili dengan bilah di atas simbol, penggunaan ini secara bertahap diganti dengan simbol dengan subskrip m.
Berdasarkan hal di atas, di sebagian besar literatur termodinamika modern kapasitas panas molar diwakili oleh simbol C m .
Formula Kapasitas Panas Molar
Kapasitas panas molar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan yang berbeda. Pertama-tama, sifat intensif ini dapat dilihat sebagai konstanta proporsionalitas antara kapasitas panas sampel zat murni dan jumlah molnya. Dari ide ini diperoleh rumus C m sebagai berikut :
Dalam persamaan ini, C menyatakan kapasitas kalor total suatu sampel, yaitu jumlah kalor yang harus diberikan pada sampel tertentu suatu zat untuk menaikkan suhunya sebesar satu satuan, sedangkan n menyatakan jumlah mol.
Di sisi lain, karena kapasitas panas menunjukkan konstanta proporsionalitas antara jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan sampel (q) dan kenaikan suhu (ΔT), kita dapat memperoleh hubungan lain antara kapasitas panas molar dan variabel-variabel ini, a tahu:
Dimana q menyatakan jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan sampel zat dari suhu T i ke suhu akhir T f . Persamaan terakhir ini memungkinkan menghitung kapasitas kalori molar suatu zat dengan mudah dari pengukuran eksperimental.
Kapasitas panas molar dan variasi suhu
Meskipun merupakan karakteristik sifat intensif dari zat murni, kapasitas kalor molar bukanlah besaran yang konstan. Bahkan, itu bervariasi dengan suhu. Pada suhu yang sangat rendah, mendekati nol mutlak, kapasitas panas meningkat sebagai pangkat tiga suhu, sebuah hukum yang disebut hukum T3 Debye . Kemudian, pada temperatur yang lebih tinggi, hubungan antara kapasitas kalor molar dan temperatur menjadi lebih kompleks, dan umumnya sesuai dengan polinomial derajat tiga dari data eksperimen.
Kapasitas panas molar dan keadaan materi
Seperti namanya, kapasitas panas molar mengukur jumlah energi dalam bentuk panas yang dapat disimpan oleh satu mol zat dalam strukturnya. Ini tergantung pada berbagai cara di mana panas dapat diubah menjadi energi panas , yaitu menjadi energi yang terkait dengan pergerakan acak partikel penyusun materi. Pada gilirannya, ini sangat tergantung pada struktur dan seberapa dekat partikel satu sama lain.
Untuk alasan ini, kapasitas panas sangat bergantung pada keadaan materi di mana suatu zat ditemukan, karena mode getaran yang berbeda dari yang tersedia untuk molekul dalam keadaan gas mungkin ada dalam keadaan terkondensasi.
Kapasitas panas molar gas ideal
Gas ideal adalah sistem yang sangat sederhana yang secara teoritis dapat kita tentukan nilai kapasitas panas molarnya. Ini dicapai melalui prinsip pemerataan energi. Prinsip ini menetapkan bahwa energi dalam gas didistribusikan secara merata di antara semua kemungkinan derajat kebebasan partikelnya. Yang kami maksud dengan derajat kebebasan adalah berbagai jenis gerakan independen yang dapat dilakukan oleh partikel-partikelnya. Pada gilirannya, masing-masing derajat kebebasan ini menyumbangkan komponen energi kinetik total suatu sistem.
Menurut prinsip ini, setiap derajat kebebasan setiap partikel menyumbang ½ kB T ke energi dalam sistem ( kB adalah konstanta Boltzmann), sehingga setiap mol partikel menyumbang ½ RT (R adalah tetapan gas ideal).
Ini berarti bahwa kita dapat dengan mudah menghitung energi internal gas ideal hanya dengan mengetahui berapa derajat kebebasan yang dimiliki partikelnya (#DoF), berapa banyak partikelnya (n) dan berapa suhunya (T):
Kapasitas panas molar pada volume konstan (C m,V )
Seperti yang kita lihat di awal, kapasitas kalor molar dapat dihitung dari kalor, mol, dan variasi temperatur. Selanjutnya, berkat hukum pertama termodinamika kita mengetahui bahwa variasi energi dalam sama dengan jumlah panas yang diserap oleh suatu sistem dan kerja yang diterima dari lingkungan. Dalam kasus khusus di mana sistem menyerap kalor dengan menjaga volume konstan, karena sistem tidak bekerja, maka kalor akan sama dengan variasi energi dalam, yaitu ΔU = q V . Selanjutnya, variasi energi dalam dengan suhu diberikan oleh ΔU = (# derajat kebebasan) x ½ x nRΔT. Menyamakan kedua persamaan kita memperoleh bahwa, untuk gas ideal, pada kondisi volume konstan:
Mengingat bahwa q = nC m .ΔT, membandingkan dua anggota persamaan sebelumnya kami menyimpulkan bahwa:
Kapasitas panas molar pada tekanan konstan (C m,P )
Menggunakan argumen serupa, serta definisi entalpi dan panas pada tekanan konstan, dapat ditunjukkan bahwa kapasitas panas molar pada tekanan konstan terkait dengan kapasitas panas molar pada volume konstan melalui hubungan berikut:
Kapasitas panas molar gas monoatomik ideal
Dalam kasus gas monoatomik, yaitu yang terdiri dari partikel atom tunggal, partikel gas hanya memiliki kebebasan translasi. Artinya, satu-satunya gerakan yang dapat dilakukan partikel adalah bergerak melalui ruang di salah satu dari tiga dimensi. Untuk alasan ini, setiap partikel memiliki 3 derajat kebebasan dan kapasitas panasnya pada volume dan tekanan konstan adalah:
Kapasitas panas molar gas diatomik ideal atau gas poliatomik linier
Dalam kasus gas diatomik, ia harus dibentuk oleh partikel linier. Partikel linier, selain memiliki kebebasan translasi dalam tiga dimensi, juga dapat berputar di sekitar dua sumbu tegak lurus terhadap sumbu molekul, dengan total 5 derajat kebebasan (3 translasi dan 2 rotasi). Hal yang sama berlaku untuk gas apa pun, seperti karbon dioksida (CO 2 ), misalnya, yang merupakan molekul linier meskipun tidak diatomik.
Dalam kasus ini, kapasitas kalori molar adalah:
Kapasitas panas molar gas ideal poliatomik nonlinier
Terakhir, kita memiliki kasus gas yang tidak linier. Dalam hal ini, molekul dapat berputar sekitar tiga sumbu yang saling tegak lurus, yang ditambahkan ke derajat kebebasan translasi, memberikan total 6 derajat kebebasan. Jadi, dalam hal ini kita memiliki:
Kapasitas panas molar dari padatan dan cairan
Padatan dan cairan jauh lebih sulit untuk dimodelkan daripada gas, terutama yang berkaitan dengan kapasitas panas molar. Beberapa model teoretis yang berupaya memprediksi nilai kapasitas kalori molar suatu zat padat menganggap zat padat sebagai sistem yang terdiri dari partikel atau bola yang disatukan melalui pegas dalam tiga dimensi; dalam kasus ini, derajat kebebasan akan terkait dengan mode getaran independen berbeda yang dapat terjadi pada setiap partikel.
Artikel ini tidak bermaksud untuk menjelaskan teori-teori ini, tetapi kami akan menyebutkan poin yang sering menimbulkan kebingungan saat membandingkan zat padat dan cair dengan gas. Berbeda dengan yang terakhir, padatan dan cairan tidak dapat dimampatkan, yang berarti bahwa mereka tidak mengalami perubahan volume yang signifikan dengan tekanan. Untuk alasan yang tidak akan dirinci di sini, fakta ini berarti bahwa kapasitas kalor molar zat padat dan cair tidak bergantung pada apakah perpindahan kalor terjadi pada tekanan tetap atau volume tetap. Untuk alasan ini, kami tidak membuat perbedaan antara C m,P dan C m.V dalam kasus padatan dan cairan, tetapi hanya mengacu pada C m .
Unit Kapasitas Panas Molar
Persamaan untuk menghitung kapasitas panas molar memungkinkan kita menyimpulkan bahwa satuan variabel ini adalah [q][n] -1 [ΔT] -1 , yaitu, satuan panas per satuan kuantitas materi (mol) dan suhu . Bergantung pada sistem unit tempat Anda bekerja, unit-unit ini dapat berupa:
| Sistem unit | Satuan panas spesifik |
| Sistem internasional | J.mol -1 .K -1 yang setara dengan Kg.m 2 ⋅s − 2. mol -1 .K − 1 |
| sistem kekaisaran | BTU⋅lb-mol − 1 ⋅°R − 1 |
| kalori | kal.mol -1 .K -1 |
| unit lainnya | kJ.mol -1 .K -1 |
Selain itu, mengingat hubungannya dengan tetapan gas ideal, ia juga dapat dinyatakan dalam satuan yang umum digunakan dengan hubungan yang sama, seperti atm.L.mol -1 .K -1 .
Kapasitas panas atau kapasitas panas molar dan panas spesifik
Kapasitas panas molar dan panas spesifik adalah contoh versi intensif dari kapasitas panas suatu sistem. Dalam kasus pertama, ini adalah kapasitas panas per mol zat, sedangkan yang kedua adalah per satuan massa zat. Karena massa molar menghubungkan mol dengan massa, ini dapat digunakan untuk mengubah panas spesifik menjadi kapasitas panas molar dan sebaliknya:
di mana M mewakili massa molar zat.
Referensi
Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Atkins. Kimia Fisik ( edisi ke-8 ). Editorial Medis Panamerican.
Kapasitas kalor molar [Kapasitas kalor molar] (Kimia) . (2006, 12 Juni). glosarium khusus. https://glosarios.servidor-alicante.com/quimica/capacita-calorifica-molar
Chang, R. (2002). Fisikokimia ( edisi pertama ). PENDIDIKAN BUKIT MCGRAW.
Energi panas. Kapasitas panas spesifik dan molar . (2013). Chemtube. https://www.quimitube.com/videos/termodinamica-teori-4-transferencia-energia-en-forma-de-calor-capacita-calorifica-especifica-y-molar/
Ling, SJ, Moebs, W., & Sanny, J. (2016, 6 Oktober). 3.5 Kapasitas Panas Gas Ideal – Fisika Universitas Volume 2 . OpenStax. https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/3-5-heat-capacities-of-an-ideal-gas
OpenStax. (2021, 15 November). Kapasitas panas dan peralatan energi . OpenStax CNX. https://cnx.org/contents/CfYvXGg2@5/Capacidad-calor%C3%ADfica-y-equipartici%C3%B3n-de-energ%C3%ADa
