Nota Fizik Tingkatan 4 Bab 4: Haba
RINGKASAN
Ringkasan Konsep Utama (Nota Fizik Tingkatan 4 Bab 4: Haba)
Keseimbangan Terma
Keseimbangan terma berlaku apabila dua objek yang bersentuhan secara terma mencapai suhu yang sama. Apabila objek panas bersentuhan dengan objek sejuk, haba akan dipindahkan dari objek panas ke objek sejuk. Kadar pemindahan haba bersih ini berterusan sehingga suhu kedua-dua objek menjadi sama. Pada ketika ini, kadar pemindahan haba antara kedua-dua objek adalah sama, dan pemindahan haba bersih adalah sifar. Prinsip ini diaplikasikan dalam kehidupan harian seperti penggunaan termometer klinik untuk mengukur suhu badan, penyejukan makanan di dalam peti sejuk, dan memanaskan kek di dalam ketuhar.
Penentu Ukuran Termometer
Sebuah termometer boleh ditentu ukur menggunakan dua takat tetap suhu. Bagi air suling, takat tetap yang digunakan ialah takat lebur ais (takat tetap bawah, 0°C) dan takat didih air (takat tetap atas, 100°C). Proses ini melibatkan penandaan panjang turus cecair termometrik pada kedua-dua takat ini. Suhu, θ, kemudiannya boleh ditentukan menggunakan rumus: θ = (Lθ / L₁₀₀) × 100°C di mana Lθ ialah panjang turus cecair dari tanda 0°C ke tanda suhu θ, dan L₁₀₀ ialah panjang turus dari tanda 0°C ke 100°C. Sifat yang berubah dengan suhu ini dikenali sebagai sifat termometrik.
Muatan Haba Tentu
• Muatan Haba (C): Kuantiti haba yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu objek sebanyak 1°C. Unitnya ialah J °C⁻¹.
• Muatan Haba Tentu (c): Kuantiti haba yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebanyak 1°C bagi jisim 1 kg bahan. Unitnya ialah J kg⁻¹ °C⁻¹. Rumusnya ialah c = Q / (mΔθ), yang boleh disusun semula kepada Q = mcΔθ.
Bahan yang berbeza mempunyai nilai muatan haba tentu yang berbeza. Air mempunyai muatan haba tentu yang tinggi (4200 J kg⁻¹ °C⁻¹), menjadikannya agen penyejuk yang baik (contohnya dalam sistem radiator kereta). Logam pula mempunyai muatan haba tentu yang rendah, menyebabkannya cepat panas (contohnya pada kuali memasak). Konsep ini juga menerangkan fenomena alam seperti bayu laut dan bayu darat, serta pemilihan bahan binaan seperti kayu (muatan haba tentu tinggi) untuk rumah di iklim panas dan sejuk.
Haba Pendam Tentu
• Haba Pendam: Haba yang diserap atau dibebaskan semasa perubahan fasa jirim (peleburan, pendidihan, kondensasi, pembekuan) tanpa perubahan suhu.
• Haba Pendam Tentu (l): Kuantiti haba yang diserap atau dibebaskan semasa perubahan fasa bagi 1 kg bahan tanpa perubahan suhu. Rumusnya ialah l = Q / m. Unitnya ialah J kg⁻¹.
◦ Haba Pendam Tentu Pelakuran (lf): Haba yang diserap semasa peleburan atau dibebaskan semasa pembekuan.
◦ Haba Pendam Tentu Pengewapan (lv): Haba yang diserap semasa pendidihan atau dibebaskan semasa kondensasi.
Semasa perubahan fasa, tenaga haba yang diserap digunakan untuk melemahkan atau memutuskan ikatan antara molekul, bukan untuk meningkatkan tenaga kinetik molekul, sebab itulah suhu kekal malar. Aplikasi konsep ini termasuk penyejukan melalui penyejatan peluh dan dalam sistem penyejukan peti sejuk, serta pemanasan melalui pengukusan makanan di mana stim membebaskan haba pendam apabila terkondensasi pada makanan.
Hukum Gas
Kelakuan gas diterangkan oleh tekanan, suhu, dan isi padu berdasarkan Teori Kinetik Gas.
• Hukum Boyle: Menyatakan bahawa bagi suatu gas berjisim tetap pada suhu malar, tekanan (P) adalah berkadar songsang dengan isi padunya (V). Rumusnya ialah P₁V₁ = P₂V₂. Apabila isi padu gas dikurangkan, molekul-molekul berlanggar dengan dinding bekas dengan lebih kerap, meningkatkan tekanan.
• Hukum Charles: Menyatakan bahawa bagi suatu gas berjisim tetap pada tekanan malar, isi padu (V) adalah berkadar terus dengan suhu mutlaknya (T). Rumusnya ialah V₁/T₁ = V₂/T₂. Suhu mutlak diukur dalam Kelvin (K), di mana T(K) = θ(°C) + 273. Suhu terendah yang mungkin, di mana molekul gas berhenti bergerak, ialah sifar mutlak (0 K atau –273°C).
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Keseimbangan Terma | Suatu keadaan di mana tiada pemindahan haba bersih antara dua objek yang bersentuhan secara terma, dan kedua-dua objek mempunyai suhu yang sama. |
| Sifat Termometrik | Sifat fizikal yang boleh diukur (seperti panjang turus cecair) yang berubah dengan perubahan suhu. |
| Penentu Ukuran | Proses penskalaan pada termometer untuk membuat pengukuran suhu. |
| Takat Tetap Bawah | Suhu takat lebur ais, iaitu 0°C. |
| Takat Tetap Atas | Suhu takat didih air, iaitu 100°C. |
| Muatan Haba (C) | Kuantiti haba yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu objek sebanyak 1°C. |
| Muatan Haba Tentu (c) | Kuantiti haba yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebanyak 1°C bagi jisim 1 kg bahan itu. |
| Haba Pendam | Haba yang diserap atau dibebaskan semasa perubahan fasa jirim tanpa perubahan suhu. |
| Haba Pendam Tentu (l) | Kuantiti haba, Q yang diserap atau dibebaskan semasa perubahan fasa bagi 1 kg bahan tanpa perubahan suhu. |
| Haba Pendam Tentu Pelakuran (lf) | Kuantiti haba yang diserap semasa peleburan atau dibebaskan semasa pembekuan bagi 1 kg bahan tanpa perubahan suhu. |
| Haba Pendam Tentu Pengewapan (lv) | Kuantiti haba yang diserap semasa pendidihan atau dibebaskan semasa kondensasi bagi 1 kg bahan tanpa perubahan suhu. |
| Sifar Mutlak | Suhu paling rendah yang mungkin (–273°C atau 0 K), di mana molekul-molekul gas tidak lagi bergerak. |
| Suhu Mutlak | Suhu yang diukur pada skala Kelvin (K). |
| Hukum Boyle | Menyatakan bahawa tekanan berkadar songsang dengan isi padu bagi suatu gas berjisim tetap pada suhu malar (P ∝ 1/V). |
| Hukum Charles | Menyatakan bahawa isi padu adalah berkadar terus dengan suhu mutlak bagi suatu gas berjisim tetap pada tekanan malar (V ∝ T). |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan KBAT (Kemahiran Berfikir Aras Tinggi)
1. Soalan: Apabila sebuah kereta diletakkan di bawah cahaya matahari, papan pemukanya menjadi lebih panas berbanding kusyen fabriknya. Terangkan mengapa ini berlaku menggunakan konsep muatan haba tentu.
Jawapan: Ini berlaku kerana perbezaan muatan haba tentu antara bahan papan pemuka dan kusyen fabrik. Papan pemuka biasanya diperbuat daripada bahan yang mempunyai muatan haba tentu yang lebih kecil. Apabila kedua-dua bahan menyerap jumlah tenaga haba yang sama dari sinaran matahari, bahan dengan muatan haba tentu yang lebih kecil (papan pemuka) akan mengalami peningkatan suhu yang lebih tinggi berbanding bahan dengan muatan haba tentu yang lebih besar (kusyen fabrik). Oleh itu, papan pemuka terasa lebih panas.
2. Soalan: Mengukus makanan adalah lebih cepat berbanding merebusnya, walaupun kedua-dua proses berlaku pada suhu 100°C. Jelaskan fenomena ini menggunakan konsep haba pendam.
Jawapan: Apabila air mendidih pada 100°C, ia menghasilkan stim pada 100°C. Apabila stim ini terkondensasi pada permukaan makanan yang lebih sejuk, ia membebaskan sejumlah besar tenaga yang dikenali sebagai haba pendam tentu pengewapan. Tenaga haba yang dibebaskan ini jauh lebih banyak berbanding tenaga haba yang dipindahkan oleh air mendidih pada suhu yang sama. Pemindahan tenaga haba yang besar ini menyebabkan makanan masak dengan lebih cepat semasa proses mengukus.
3. Soalan: Seorang atlet yang baru selesai berlari akan berasa lebih sejuk jika berdiri di hadapan kipas berbanding berdiri di dalam bilik yang tiada angin, walaupun suhu udara di kedua-dua tempat adalah sama. Terangkan mengapa. Jawapan: Atlet tersebut berpeluh selepas berlari. Untuk menyejukkan badan, peluh perlu menyejat. Proses penyejatan memerlukan tenaga haba (haba pendam tentu pengewapan) yang diserap dari kulit, menyebabkan kesan penyejukan. Apabila atlet berdiri di hadapan kipas, aliran udara yang bergerak laju akan mempercepatkan kadar penyejatan peluh dari kulitnya. Kadar penyejatan yang lebih tinggi bermakna lebih banyak haba diserap dari badan dalam masa yang singkat, menyebabkan atlet tersebut berasa lebih sejuk.
4. Soalan: Anda ingin membina sebuah rumah di kawasan beriklim khatulistiwa yang panas. Adakah anda akan memilih bahan binaan dengan muatan haba tentu yang tinggi atau rendah untuk dinding dan bumbung? Berikan justifikasi kepada pilihan anda.
Jawapan: Saya akan memilih bahan binaan dengan muatan haba tentu yang tinggi, seperti kayu atau konkrit bertebat (styrofoam). Bahan dengan muatan haba tentu yang tinggi memerlukan lebih banyak tenaga haba untuk menaikkan suhunya. Ini bermakna ia akan lambat menjadi panas di bawah terik matahari pada waktu siang. Sifat ini membantu mengekalkan suhu di dalam rumah agar tidak terlalu panas dan lebih selesa. Ia berfungsi sebagai penebat haba yang baik daripada bahang cahaya matahari.
5. Soalan: Menggunakan Teori Kinetik Gas, terangkan mengapa tekanan dalam tayar kenderaan meningkat selepas perjalanan yang jauh.
Jawapan: Semasa perjalanan yang jauh, tayar sentiasa bergeser dengan permukaan jalan. Geseran ini menghasilkan haba, yang kemudiannya dipindahkan kepada udara di dalam tayar. Menurut Teori Kinetik Gas, apabila suhu gas meningkat, tenaga kinetik purata molekul-molekul udara turut meningkat. Ini menyebabkan molekul-molekul udara bergerak dengan lebih laju dan berlanggar dengan dinding dalam tayar dengan lebih kerap dan lebih kuat. Peningkatan kadar dan daya perlanggaran ini akan meningkatkan tekanan gas di dalam tayar