KESEIMBANGAN TERMA: PERSAMAAN, APLIKASI, LATIHAN - FIZIKAL - 2025

Keseimbangan terma dua badan yang bersentuhan terma adalah keadaan yang dicapai setelah sekian lama suhu kedua-dua badan menyamakan kedudukan.

Dalam termodinamik, hubungan termal dua badan (atau dua sistem termodinamik) difahami sebagai keadaan di mana badan mempunyai hubungan mekanikal atau dipisahkan tetapi bersentuhan dengan permukaan yang hanya membenarkan pemindahan haba dari satu badan ke badan yang lain (permukaan diathermik ).

Gambar 1. Selepas beberapa lama ais dan minuman akan mencapai keseimbangan terma mereka. Sumber: pixabay

Dalam hubungan terma tidak boleh ada reaksi kimia antara sistem yang bersentuhan. Harus ada pertukaran haba sahaja.

Situasi setiap hari di mana terdapat pertukaran haba disajikan dengan sistem seperti minuman sejuk dan gelas, kopi panas dan sudu teh, atau badan dan termometer, antara banyak contoh lain.

Bilakah dua atau lebih sistem berada dalam keseimbangan terma?

Hukum termodinamik kedua menyatakan bahawa haba selalu berpindah dari badan dengan suhu tertinggi ke badan dengan suhu terendah. Pemindahan haba berhenti sebaik sahaja suhu menyamakan dan keadaan keseimbangan terma tercapai.

Aplikasi praktikal keseimbangan terma adalah termometer. Termometer adalah alat yang mengukur suhu sendiri, tetapi berkat keseimbangan terma, kita dapat mengetahui suhu badan lain, seperti suhu seseorang atau haiwan.

Termometer lajur merkuri diletakkan dalam hubungan termal dengan badan, misalnya di bawah lidah, dan cukup waktu menunggu keseimbangan terma antara badan dan termometer dapat dicapai dan pembacaannya tidak berubah jauh.

Apabila titik ini tercapai, suhu termometer adalah sama dengan suhu badan.

Hukum sifar termodinamik menyatakan bahawa jika badan A berada dalam keseimbangan terma dengan badan C dan badan yang sama C berada dalam keseimbangan termal dengan B, maka A dan B berada dalam keseimbangan termal walaupun tidak ada hubungan terma antara A dan B .

Oleh itu, kami menyimpulkan bahawa dua atau lebih sistem berada dalam keseimbangan terma apabila mereka mempunyai suhu yang sama.

Persamaan keseimbangan terma

Kami menganggap badan A dengan suhu awal Ta bersentuhan termal dengan badan B yang lain dengan suhu awal Tb. Kami juga menganggap bahawa Ta> Tb, maka menurut hukum kedua, haba dipindahkan dari A ke B.

Selepas beberapa ketika, keseimbangan terma akan dicapai dan kedua-dua badan akan mempunyai suhu akhir yang sama Tf. Ini akan mempunyai nilai pertengahan di Ta dan Tb, iaitu, Ta> Tf> Tb.

Jumlah haba Qa yang dipindahkan dari A ke B adalah Qa = Ma Ca (Tf - Ta), di mana Ma adalah jisim badan A, Ca kapasiti haba per unit jisim A dan (Tf - Ta) perbezaan suhu . Sekiranya Tf kurang daripada Ta maka Qa adalah negatif, menunjukkan bahawa tubuh A melepaskan panas.

Begitu juga untuk badan B kita mempunyai Qb = Mb Cb (Tf - Tb); dan jika Tf lebih besar daripada Tb maka Qb positif, menunjukkan bahawa badan B menerima haba. Oleh kerana badan A dan badan B bersentuhan terma antara satu sama lain, tetapi terasing dari persekitaran, jumlah haba yang ditukar mestilah sifar: Qa + Qb = 0

Maka Ma Ca (Tf - Ta) + Mb Cb (Tf - Tb) = 0

Suhu keseimbangan

Dengan mengembangkan ungkapan ini dan menyelesaikan suhu Tf, suhu akhir keseimbangan terma diperoleh.

Rajah 2. Suhu keseimbangan akhir. Sumber: buatan sendiri

Tf = (Ma Ca Ta + Mb Cb Tb) / (Ma Ca + Mb Cb).

Sebagai kes tertentu, pertimbangkan bahawa badan A dan B sama dalam kapasiti jisim dan haba, dalam hal ini suhu keseimbangan adalah:

Tf = (Ta + Tb) / 2 ↔ jika Ma = Mb dan Ca = Cb.

Sentuhan terma dengan perubahan fasa

Dalam beberapa keadaan, apabila dua badan diletakkan dalam hubungan termal, pertukaran haba menyebabkan perubahan keadaan atau fasa di salah satu daripadanya. Sekiranya ini berlaku, mesti diambil kira bahawa semasa perubahan fasa tidak ada perubahan suhu dalam tubuh yang mengubah keadaannya.

Sekiranya perubahan fasa salah satu badan dalam hubungan terma berlaku, konsep haba pendam L diterapkan, yang merupakan tenaga per unit jisim yang diperlukan untuk perubahan keadaan:

Q = L ∙ M

Sebagai contoh, untuk mencairkan 1 kg ais pada suhu 0 ° C, 333.5 kJ / kg diperlukan dan nilai ini adalah L pendam panas peleburan ais.

Semasa pencairan, ia berubah dari air pepejal menjadi air cair, tetapi air itu mengekalkan suhu yang sama dengan ais semasa proses pencairan.

Permohonan

Keseimbangan terma adalah sebahagian daripada kehidupan seharian. Sebagai contoh, mari kita periksa keadaan ini secara terperinci:

-Latihan 1

Seseorang mahu mandi dengan air suam pada suhu 25 ° C. Dalam baldi, letakkan 3 liter air sejuk pada suhu 15 ° C dan di dapur panaskan air hingga 95 ° C.

Berapa liter air panas yang harus dia tambahkan ke dalam baldi air sejuk untuk mendapatkan suhu akhir yang diinginkan?

Penyelesaian

Katakan A adalah air sejuk dan B adalah air panas:

Rajah 3. Penyelesaian untuk bersenam 3. Sumber: penerangan sendiri.

Kami mencadangkan persamaan keseimbangan terma, seperti yang ditunjukkan pada papan hitam pada gambar 3 dan dari situ kami menyelesaikan jisim air Mb.

Kita dapat memperoleh jisim awal air sejuk kerana ketumpatan air diketahui, iaitu 1Kg untuk setiap liter. Maksudnya, kita mempunyai 3 kg air sejuk.

Ma = 3kg

Jadi

Mb = - 3 kg * (25 ° C - 15 ° C) / (25 ° C - 95 ° C) = 0,43 kg

Kemudian 0.43 liter air panas sudah cukup untuk akhirnya memperoleh 3.43 liter air suam pada suhu 25 ° C.

Latihan yang diselesaikan

-Latihan 2

Sekeping logam dengan jisim 150 g dan suhu 95 ° C dimasukkan ke dalam bekas yang mengandungi setengah liter air pada suhu 18 ° C. Selepas beberapa ketika keseimbangan terma dicapai dan suhu air dan logam ialah 25 ° C.

Anggaplah bekas dengan air dan kepingan logam adalah termos tertutup yang tidak membenarkan pertukaran haba dengan persekitaran.

Dapatkan haba tentu logam.

Penyelesaian

Mula-mula kita akan mengira haba yang diserap oleh air:

Qa = Ma Ca (Tf - Ta)

Qa = 500g 1cal / (g ° C) (25 ° C - 18 ° C) = 3500 kalori.

Itulah haba yang sama dengan logam:

Qm = 150g Cm (25 ° C - 95 ° C) = -3500 kalori.

Oleh itu, kita dapat memperoleh kapasiti haba logam:

Cm = 3500 cal / (150g 70 ° C) = ⅓ cal / (g ° C).

Latihan 3

Anda mempunyai 250 cc air pada suhu 30 ° C. Untuk air yang berada dalam termos penebat, 25g ketulan ais ditambahkan pada 0 ° C, dengan tujuan untuk menyejukkannya.

Tentukan suhu keseimbangan; iaitu, suhu yang akan tetap ada setelah semua ais mencair dan air ais telah dipanaskan hingga sama dengan air di gelas pada awalnya.

Penyelesaian 3

Latihan ini dapat diselesaikan dalam tiga peringkat:

1. Yang pertama adalah pencairan ais yang menyerap haba dari air awal untuk mencair dan menjadi air.
2. Kemudian penurunan suhu pada air awal dikira, kerana fakta bahawa ia telah memberikan haba (Qced <0) untuk mencairkan ais.
3. Akhirnya, air cair (yang berasal dari ais) mesti seimbang secara termal dengan air yang ada pada awalnya.

Rajah 4. Penyelesaian untuk bersenam 3. Sumber: penerangan sendiri.

Mari kirakan haba yang diperlukan untuk mencairkan ais:

Qf = L * Mh = 333.5 kJ / kg * 0.025kg = 8.338 kJ

Kemudian, haba yang diberikan oleh air untuk mencairkan ais adalah Qced = -Qf

Panas ini yang diberikan oleh air menurunkan suhunya ke nilai T 'yang dapat kita hitung seperti berikut:

T '= T0 - Qf / (Ma * Ca) = 22.02 ° C

Di mana Ca ialah muatan haba air: 4.18 kJ / (kg ° C).

Akhirnya jisim air asal yang sekarang berada pada 22.02 ° C akan memberikan haba kepada jisim air lebur dari ais yang berada pada suhu 0 ° C.

Akhirnya, suhu keseimbangan Te akan dicapai setelah masa yang mencukupi:

Te = (Ma * T '+ Mh * 0 ° C) / (Ma + Mh) = (0.25kg * 22.02 ° C + 0.025kg * 0 ° C) / (0.25kg + 0.025kg).

Akhirnya memperoleh suhu keseimbangan:

Te = 20.02 ° C.

-Latihan 4

Sebilangan timbal 0,5 kg keluar dari tungku pada suhu 150 ° C, yang berada jauh di bawah titik leburnya. Potongan ini diletakkan di dalam bekas dengan 3 liter air pada suhu bilik 20 ° C. Tentukan suhu keseimbangan akhir.

Kira juga:

- Jumlah haba yang dihantar oleh plumbum ke air.

- Jumlah haba yang diserap oleh air.

Data:

Haba plumbum tentu: Cp = 0,03 cal / (g ° C); Panas air tertentu: Ca = 1 cal / (g ° C).

Penyelesaian

Mula-mula kita menentukan suhu keseimbangan akhir Te:

Te = (Ma Ca Ta + Mp Cp Tp) / (Ma Ca + Mp Cp)

Te = 20.65 ° C

Maka jumlah haba yang dikeluarkan oleh plumbum adalah:

Qp = Mp Cp (Te - Tp) = -1.94 x 10³ kal.

Jumlah haba yang diserap oleh air adalah:

Qa = Ma Ca (Te - Ta) = + 1,94x 10³ kal.

Rujukan

1. Atkins, P. 1999. Kimia Fizikal. Edisi Omega.
2. Bauer, W. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. 6hb .. Dewan Prentice Ed.
4. Hewitt, Paul. 2012. Sains Fizikal Berkonsep. 5hb. Ed. Pearson.
5. Resnick, R. (1999). Fizikal. Jilid 1. Edisi ke-3 Dalam Bahasa Sepanyol. Compañía Editorial Continental SA de CV
6. Rex, A. 2011. Asas Fizik. Pearson.
7. Sears, Zemansky. 2016. Fizik Universiti dengan Fizik Moden. 14hb. Ed. Jilid 1.
8. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 1. 7hb. Pembelajaran Ed. Cengage.