Tabla de Contenidos
Artikel ini menunjukkan solusi dari empat kelas masalah kalorimetri dan termodinamika terkait dengan perhitungan suhu akhir suatu sistem setelah melakukan perpindahan panas.
- Kasus pertama terdiri dari menghitung suhu akhir suatu sistem, mengingat kapasitas panasnya dan jumlah panas yang diserap.
- Yang kedua mirip dengan yang pertama, hanya saja sistemnya terdiri dari gas ideal dan kapasitas panasnya tidak diberikan.
- Kasus ketiga menggabungkan prinsip-prinsip termokimia dengan proses yang dipelajari dalam kasus 1. Masalah ini berkaitan dengan perhitungan suhu akhir kalorimeter dengan kapasitas panas total yang diketahui, di mana pembakaran total senyawa organik dalam jumlah yang diketahui.
- Terakhir, kasus keempat adalah contoh perhitungan suhu akhir atau kesetimbangan setelah perpindahan panas antara dua benda yang suhu awalnya berbeda.
Dalam semua kasus, perhitungannya didasarkan pada rumus yang menentukan jumlah panas:
Di mana Q mewakili jumlah panas yang dipindahkan, C adalah kapasitas panas sistem (juga disebut kapasitas panas) dan DT mengacu pada perubahan suhu atau, yang sama, perbedaan antara suhu akhir dan suhu awal.
Rumus untuk kapasitas panas dalam hal massa dan panas spesifik, serta mol dan kapasitas panas molar, juga akan digunakan.
Dalam persamaan ini m menyatakan massa, C e panas spesifik, n jumlah mol dan C m kapasitas panas molar.
Berdasarkan konvensi, kalor dianggap positif ketika memasuki sistem (menyebabkan kenaikan suhu) dan negatif ketika meninggalkan sistem (menyebabkan penurunan suhu).
Kasus 1: Perhitungan suhu akhir suatu benda setelah menyerap sejumlah kalor yang diketahui.
penyataan
Tentukan suhu akhir balok tembaga yang memiliki kapasitas kalor total 230 kal/°C dan mula-mula bersuhu 25,00°C jika menyerap 7.850 kalori sebagai kalor dari lingkungan.
Larutan
Dalam hal ini, data yang tersedia adalah suhu awal, kapasitas panas , dan jumlah panas. Juga, karena pernyataan tersebut menyatakan bahwa balok tembaga menyerap kalor, maka tanda kalor diketahui positif (+). Kesimpulan:
Q = + 7.850 kal
C = 230,0 kal/°C
Ti = 25.00 °C
T f = ?
Sekarang setelah data diurutkan, mudah untuk melihat bahwa yang harus kita lakukan hanyalah menyelesaikan persamaan kalor kedua untuk mendapatkan suhu akhir, T f . Ini dicapai dengan terlebih dahulu membagi kedua bagian dengan kapasitas panas dan kemudian menambahkan suhu awal ke kedua bagian:
Sekarang data diganti dalam persamaan, dihitung dan hanya itu:
Menjawab
Setelah menyerap 7.850 kalori panas, balok tembaga memanas dari 25,00°C menjadi 59,13°C.
Kasus 2: Perhitungan suhu akhir gas ideal setelah kehilangan kalor.
penyataan
Tentukan suhu akhir suatu sampel udara yang mula-mula bersuhu 180,0 °C yang menempati volume 500,0 L pada tekanan 0,500 atm jika ia kehilangan kalor sebesar 20,021 Joule dengan volume tetap. Pertimbangkan udara sebagai gas ideal diatomik yang kapasitas panas molarnya memiliki nilai 20,79 J/mol.K.
Larutan
Seperti sebelumnya, kita mulai dengan mengekstraksi data dari pernyataan tersebut. Hal yang paling penting dalam hal ini adalah untuk mengingat bahwa, dengan konvensi, kalor yang meninggalkan sistem adalah negatif, jadi penting untuk berhati-hati agar tidak melupakan tandanya. Selain itu, Anda harus berhati-hati dengan satuan, karena dalam hal ini panas diberikan dalam Joul dan bukan dalam kalori.
Temperatur juga harus diubah ke Kelvin untuk menggunakan hukum gas ideal.
Ti = 180,0 °C + 273,15 = 453,15 K
C m = 20,79 J/mol.K
V = 500,0L
P = 0,500 atm
Q = – 20,021 J
T f = ?
Dua detail tambahan sangat penting dalam masalah ini. Yang pertama adalah fakta bahwa udara dapat dianggap sebagai gas ideal, yang menyiratkan bahwa hukum gas ideal dapat digunakan. Dari persamaan ini (yang disajikan di bawah), semuanya diketahui kecuali jumlah mol, sehingga dapat digunakan untuk menghitungnya.
Kita mulai dengan menyelesaikan hukum gas ideal untuk menemukan jumlah mol udara yang ada dalam sistem:
Sekarang Anda dapat mengambil dua jalur berbeda. Anda dapat menggunakan mol dan kapasitas panas molar untuk menentukan kapasitas panas sistem dan kemudian menggunakannya untuk menghitung suhu akhir, atau Anda dapat menggabungkan kedua persamaan menjadi satu dan menyelesaikan T f .
Di sini kita akan melakukan yang kedua. Pertama kita substitusikan C = nC m ke dalam persamaan panas:
Sekarang bagi semuanya dengan nC m dan tambahkan suhu awal di kedua anggota, seperti yang kita lakukan sebelumnya:
Menjawab
Sampel udara didinginkan hingga temperatur 309,91 K, yang setara dengan 36,76 °C setelah kehilangan kalor sebesar 20,021 J.
Kasus 3: Perhitungan suhu akhir kalorimeter setelah reaksi eksotermik.
penyataan
Sampel asam benzoat 0,0500 mol, yang memiliki entalpi pembakaran -3,227, dibakar dalam kalorimeter tekanan konstan yang memiliki kapasitas panas total 4,020 kal/°C dan awalnya pada 25°C kJ/mol. Tentukan suhu akhir sistem ketika kesetimbangan termal tercapai.
Larutan
n = 0,0500 mol asam benzoat
∆H c = – 3,227 kJ/mol
C = 4,020 kal/°C
Ti = 25.00 °C
T f = ?
Dalam hal ini, panas berasal dari pembakaran asam benzoat. Ini adalah proses eksotermik (melepaskan panas) karena entalpinya negatif. Namun, karena pembakaran terjadi di dalam kalorimeter, semua kalor yang dilepaskan oleh reaksi diserap oleh kalorimeter. Ini berarti bahwa:
Di mana tanda minus mencerminkan fakta bahwa reaksi melepaskan sementara sistem (kalorimeter) menyerap kalor, sehingga kedua kalor harus memiliki tanda yang berlawanan.
Juga, kalor yang dilepaskan oleh reaksi 0,500 mol asam harus merupakan perkalian jumlah mol dengan entalpi molar pembakaran:
Maka kalor yang diserap kalorimeter adalah :
Sekarang, persamaan yang sama digunakan untuk suhu akhir dari contoh pertama:
Menjawab
Suhu kalorimeter meningkat dari 25,00 °C menjadi 34,59 °C setelah pembakaran sampel asam benzoat.
Kasus 4: Perhitungan suhu kesetimbangan akhir dengan perpindahan panas antara benda pada suhu awal yang berbeda.
penyataan
Sepotong besi panas 100 g dimasukkan ke dalam wadah dengan dinding adiabatik (yang tidak menghantarkan panas) yang berisi 250 g air awalnya pada 15 °C, yang awalnya pada 95 °C. Kalor jenis besi adalah 0,113 kal/g.°C.
Larutan
Dalam hal ini ada dua sistem yang mengalami perpindahan kalor: air yang ada di dalam wadah dan potongan besi. Harus diingat bahwa kalor jenis air adalah 1 kal/g.°C. Untuk alasan ini, data harus dipisahkan oleh sistem:
| data air | data besi |
| C e, air = 1 kal/g.°C | C e, besi = 1 kal/g.°C |
| m air = 250 g | m besi = 100 g |
| Ti , air = 15,00°C | Ti , besi = 95,00°C |
| Tf , air = ? | Tf , besi = ? |
Untuk air dan besi, persamaan kalor dapat ditulis:
Di mana kapasitas panas dari setiap sistem digantikan oleh produk antara massanya dan panas spesifiknya. Persamaan ini memiliki terlalu banyak hal yang tidak diketahui karena kita tidak mengetahui salah satu dari dua kalor, atau salah satu dari dua suhu akhir.
Karena kita memiliki dua persamaan dan empat yang tidak diketahui, kita membutuhkan dua persamaan independen tambahan untuk menyelesaikan soal. Kedua persamaan ini terdiri dari hubungan antara dua kalor dan antara dua suhu akhir.
Karena kalor mengalir dari satu sistem ke sistem lainnya dan kita asumsikan tidak ada yang hilang ke lingkungan (karena dinding bersifat adiabatik) maka semua kalor yang dilepaskan oleh balok besi diserap oleh air. Karena itu:
Di mana, sekali lagi, tanda negatif ditempatkan untuk menyoroti fakta bahwa yang satu melepaskan panas sementara yang lain menyerapnya. Tanda ini tidak menunjukkan bahwa kalor air adalah negatif (sebenarnya harus positif, karena airlah yang menyerap kalor), melainkan menunjukkan bahwa kalor besi adalah kebalikan dari tanda kalor air. Karena kalor air adalah positif, maka persamaan di atas memastikan bahwa kalor besi adalah negatif, seperti yang seharusnya.
Persamaan lainnya berhubungan dengan suhu akhir. Setiap kali dua benda berada dalam kontak termal, benda dengan suhu lebih tinggi akan mentransfer panas ke benda yang lebih dingin hingga kesetimbangan termal tercapai. Ini terjadi ketika kedua suhu persis sama. Oleh karena itu, suhu akhir kedua sistem harus sama:
Mensubstitusikan dua persamaan pertama ke dalam persamaan kedua, dan mensubstitusikan kedua suhu akhir untuk T f , kita memperoleh:
Dalam persamaan ini, satu-satunya yang tidak diketahui adalah T f , jadi yang harus dilakukan hanyalah menyelesaikannya untuk menemukan variabel tersebut. Pertama-tama kita selesaikan distributif dalam kedua tanda kurung, lalu kita kelompokkan suku-suku dari sisi yang sama dan akhirnya kita keluarkan faktor persekutuannya:
Sekarang kita ganti datanya dan voila!
Menjawab
Suhu kesetimbangan sistem yang dibentuk oleh 250g air dan 100g besi adalah 18,46°C.
Kiat dan rekomendasi
Poin penting yang perlu diingat saat melakukan perhitungan ini adalah bahwa hasilnya harus selalu masuk akal. Jika kita meletakkan dua benda yang berada pada suhu berbeda dalam kontak termal, hal logisnya adalah suhu akhir berada di antara kedua suhu awal (dalam hal ini antara 15°C dan 95°C).
Jika hasilnya di atas suhu yang lebih tinggi atau di bawah suhu yang lebih rendah, pasti ada kesalahan dalam perhitungan atau prosedur. Kesalahan paling umum adalah lupa memberi tanda minus pada persamaan kedua nilai.
Detail lain yang perlu diperhatikan adalah suhu akhir akan selalu mendekati suhu awal benda dengan kapasitas panas tertinggi. Dalam hal ini, kapasitas panas air adalah 250 x 1 = 250 kal/°C, sedangkan kapasitas panas besi adalah 100 x 0,113 = 11,3 kal/°C. Seperti yang Anda lihat, bahwa air lebih dari 20 kali lebih tinggi daripada besi, jadi masuk akal jika suhu akhir akan lebih mendekati 15°C, yang merupakan suhu awal air, daripada 95°C. adalah besi.
Referensi
- Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Kimia Fisik Atkins (rev. ed.). Oxford, Inggris Raya: Oxford University Press.
- Britannica, T. Editor Ensiklopedi (2018, 28 Desember). Kapasitas panas . Ensiklopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/heat-capacity
- Britannica, T. Editor Ensiklopedi (2021, 6 Mei). Panas spesifik . Ensiklopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/specific-heat
- Cedron J.; Landa V.; Robles J. (2011). 1.3.1.- Panas Spesifik dan Kapasitas Panas | Kimia Umum . Diambil 24 Juli 2021, dari http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/131-calor-especifico-y-capacidad-calorifica.html
- Chang, R. (2008). Kimia Fisik (edisi ke-3). Kota New York, New York: McGraw Hill.
- Kimia.adalah. (td).Panas spesifik . Diambil 24 Juli 2021, dari https://www.quimica.es/enciclopedia/Calor_espec%C3%ADfico.html
- Wunderlich, B. (2001). Analisis Termal. Ensiklopedia Bahan: Sains dan Teknologi , 9134–9141. https://doi.org/10.1016/b0-08-043152-6/01648-x
