Nota Asas 7: Suhu dan Haba

Suhu adalah darjah kepanasan atau kesejukan sesuatu jirim. Suhu sesuatu jirim atau jasad bergantung kepada kuantiti tenaga dalam yang ada padanya; umumnya jasad yang mempunyai tenaga dalam yang tinggi juga mempunyai suhu yang tinggi dan begitulah sebaliknya. Suhu disukat menggunakan termometer dan ukuran suhu diberikan dalam unit darjah Celcius (oC), darjah Fahrenheit (oF), Kelvin (K), atau Rankine (R). Skala K dan R adalah skala suhu mutlak.

Tenaga dalam yang dimiliki jasad begantung kepada keaktifan getaran atom atau molekul yang membentuk jasad itu. Jika jasad itu gas, tenaga dalam gas bergantung kepada keaktifan molekul gas bergerak.

Apabila dua jasad berbeza suhu bersentuhan, tenaga berpindah dari jasad bersuhu tinggi ke jasad bersuhu rendah. Tenaga yang pindah itu adalah haba. Unit bagi haba adalah joule (J) atau kalori (cal). Jasad yang kehilangan haba akan turun suhunya, manakala yang menerima haba naik suhunya. Proses berterusan sehingga kedua-dua jasad mencapai suhu yang sama. Keadaan ini dinamai keseimbangan terma; tiada berlaku perpindahan haba bersih.

Termodinamik. Ini adalah cabang ilmu sains yang mengkaji dinamik perpindahan haba pada jirim.

Hukum termodinamik ke-sifar: Ada tiga jasad; A bersentuhan dengan B manakala B bersentuhan dengan C. Apabila A berada dalam keseimbangan terma dengan B dan B pula berada dalam keseimbangan terma dengan C, maka suhu A = suhu B = suhu C.

Hukum ini adalah asas kepada proses pengukuran suhu menggunakan termometer.


Termometer. Ini merujuk kepada alat untuk menyukat suhu. Prinsip kerja termometer bergantung kepada beberapa faktor. Pertama, sifat fizikal jirim bergantung kepada suhu. Misalnya, cecair mengembang apabila suhunya dinaikkan, mengecut apabila suhunya turun. Kedua, perubahan sifat fizikal berlaku secara linear dengan perubahan suhu. Ketiga, jirim mempunyai sifat fizikal yang sama pada suhu yang sama. Misalnya, air tulen dibawah tekanan 1 atmosfera akan membeku jadi ais pada suhu 0 oC dan mendidih jadi stim pada suhu 100 oC. Tidak kira di mana dan bila, apabila tekanan ditetapkan pada 1 atmosfera, air akan jadi ais pada 0 oC dan jadi stim pada 100 oC.

Skala termometer: oC dan o Centigrade. Sifat fizikal jirim yang berubah secara linar dengan suhu memudahkan penetapan skala termometer. Setelah sifat fizikal jirim disukat pada 0 oC dan 100 oC, maka julat skala termometer dibahagikan kepada 100 bahagian yang sama besar kerana perubahan sifat fizikal linear dengan perubahan suhu. Itulah sebabnya unit oC dahulu dikenali juga sebagai unit "darjah centigrade".

Kesetaraan unit suhu. Dalam skala Fahrenheir, suhu 0 oC = 32 oF, 100 oC = 212 oF. Bermakna antara suhu ais dan suhu stim, skel termometer dibahagikan kepada 180 bahagian oF. Oleh itu kita boleh bina rumus menukar suhu dalam oC ke oF dan sebaliknya:

x oC = [32 + (9/5) x] oF
x oF = [x - 32](5/9) oC

Pada suhu berapakah kedua-dua unit suhu mempunyai nilai yang sama?

Daripada persamaan di atas, 32 + (9/5)x = [x-32](5/9) ==> x = -40. Jadi, -40 oC = - 40 oF

Suhu mutlak. Ini adalah satu skala suhu yang penting dalam kajian termodnimaik. Unit bagi skala suhu mutlak ialah kelvin (K) [Nota: bukannya darjah kelvin]. Secara mudahnya, x oC = 273.15 K. Suhu sifar mutlak adalah suhu paling rendah, ertinya tiada suhu mutlak negatif. Pada suhu sifar mutlak tidak ada gerakan lagi; molekul gas pun berhenti bergerak dan akhibatnya tekanan gas menjadi sifar. Suhu paling rendah yang dicapai di makmal ialah 10^-6 K = 0.000001 K.

Titik atau suhu rujukan bagi skala kelvin ialah titik tiga air, iaitu suhu dimana air, wap air dan ais wujud serentak. Suhu ini ialah 0.01 oC = 273.16 K.

Muatan haba. Ini adalah ukuran satu jasad atau jirim menyimpan haba. Andaikan satu jasad mempunyai muatan haba 5000 J/oC, bermakna untuk naikkan suhunya sebanyak satu celcius, kita perlu berikan haba padanya 5000 J. Sebaliknya, jika jasad itu turun suhunya sebanyak satu celcius, haba 5000 J dikeluarkan (dibebaskan) daripadanya. Yang penting di sini ialah kuantiti perubahan suhu bukannya suhu. Maksudnya, kuantiti haba yang sama terlibat jika perubahan itu berlaku dari suhu 20 oC ke 25 oC dengan perubahan dari 85 oC ke 90 oC kerana kedua-dua perubahan itu melibatkan perubahan suhu 5 celcius.

Muatan haba tentu. Adalah lebih umum dan fleksibel jika kita menggunakan muatan haba per unit kg jirim, iaitu kuantiti haba per unit jisim per unit suhu, J/kg/oC. Nilai ini dinamai muatan haba tentu. Sebagai contoh, muatan haba tentu bagi air ialah 4186 J/kg/oC. Contoh lain ialah: tembaga (390 J/kg/oC), aluminium (910 J/kg/oC), besi (470 J/kg/oC), perak (234 J/kg/oC), dan plumbum (130 J/kg/oC). Logam yang mutan haba tentu tinggi akan lambat panas dan juga lambat sejuk berbanding yang muatan haba tentu rendah. Tanah bumi yang mengandungi logam dan pepejal mempunyai muatan haba tentu rendah berbanding air. Itulah sebabnya disiang hari daratan cepat panas berbanding lautan manakala dimalam hari daratan lebih dulu sejuk berbanding lautan. Ini yang menjadikan fenomenon bayu darat dan bayu laut kerana wujudnya perbezaan suhu.