Latihan termodinamika dengan pembahasan

Mencampur dua massa air

Latihan 3 · Pelajaran 2 — Sejarah Termodinamika dan Kalorimetri

  • kalorimetri
  • pencampuran
  • kapasitas kalor
  • kalor jenis
  • Joseph Black
  • suhu kesetimbangan

Soal

m1=0,200 kgm_1=0{,}200\,\text{kg} air pada T1=80 ∘CT_1=80\,^\circ\text{C} dituangkan ke wadah yang telah berisi m2=0,300 kgm_2=0{,}300\,\text{kg} air pada T2=15 ∘CT_2=15\,^\circ\text{C}. Wadah adalah kalorimeter ideal: kehilangan kalor ke luar dan kapasitas kalor wadah diabaikan. Berlaku Q=mcΔTQ=mc\Delta T, dengan c=4,18×103 J ⁣⋅ ⁣kg−1 ⁣⋅ ⁣K−1c=4{,}18\times10^3\,\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}\!\cdot\!\text{K}^{-1} kalor jenis air cair.

  1. Jelaskan mengapa kalor yang dilepas air panas seluruhnya diterima air dingin, lalu tulis persamaan kekekalan yang memuat m1m_1, m2m_2, cc, T1T_1, T2T_2, dan TeqT_{eq}.
  2. Turunkan bentuk dan nilai numerik TeqT_{eq}.
  3. Hitung kalor QQ yang dilepas air panas selama pencampuran.
  4. Dapatkah pencampuran zat yang sama menentukan cc? Jelaskan.

Petunjuk
Kalorimeter terisolasi dan kaku sehingga energi dalam total U1+U2U_1+U_2 kekal: kalor yang dilepas satu bagian diterima bagian lain dengan tanda berlawanan.

Pembahasan terperinci

Solusi
1.

m1c(Teq−T1)+m2c(Teq−T2)=0.m_1c(T_{eq}-T_1)+m_2c(T_{eq}-T_2)=0.

2. Faktor cc saling menghilangkan:

Teq=m1T1+m2T2m1+m2=0,200×80+0,300×150,200+0,300=41 ∘C.T_{eq}=\frac{m_1T_1+m_2T_2}{m_1+m_2} =\frac{0{,}200\times80+0{,}300\times15}{0{,}200+0{,}300}=41\,^\circ\text{C}.

3.

Q=m1c(T1−Teq)=0,200×4,18×103×(80−41)≈3,26×104 J.Q=m_1c(T_1-T_{eq})=0{,}200\times4{,}18\times10^3\times(80-41) \approx3{,}26\times10^4\,\text{J}.

Air dingin menerima jumlah yang sama:

m2c(Teq−T2)=0,300×4,18×103×26≈3,26×104 J.m_2c(T_{eq}-T_2)=0{,}300\times4{,}18\times10^3\times26 \approx3{,}26\times10^4\,\text{J}.

4. Tidak. Untuk zat yang sama, cc mengalikan kedua suku neraca dan saling menghilangkan. Suhu kesetimbangan tidak bergantung pada cc, melainkan rata-rata suhu awal berbobot massa. Mengukur kalor jenis dengan metode campuran membutuhkan zat dengan kapasitas kalor diketahui, seperti latihan berikut.