Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

12
Nama : Sudrajat Saputra No.Reg : 3215102345 Prodi : Pendidikan Fisika Reguler 2010 Apakah kurva pemanasan air seperti yang di deskripsikan? H. G. Riveros(1) dan A I Oliva(2) (1)Instituto de F'ısica UNAM, AP 20-364, 01000 M'exico DF, Meksiko (2)Cinvestav IPN Unidad M'erida, Departamento F'ısica Aplicada, AP 73-O, 97310 M'erida, Yucat'an, Meksiko Abstrak Kami menganalisis kurva pemanasan air yang dijelaskan dalam buku teks. Sebuah eksperimen dikombinasikan dengan beberapa perhitungan perpindahan panas sederhana adalah dibahas. Perilaku teoritis dapat diubah dengan mengubah kondisi di mana percobaan dimodelkan. Dengan mengidentifikasi dan mengendalikan parameter yang berbeda yang terlibat selama proses pemanasan, kami menghitung bahwa radiasi, konveksi dan evaporasi adalah proses utama dalam kurva pemanasan. Pengantar Kurva pemanasan air sering digambarkan dalam buku teks. Perubahan fase air yang diketahui terjadi pada 0 ◦ C untuk peleburan (padat ke cair) dan 100 ◦ C untuk penguapan (cair ke gas) pada kondisi tekanan normal. Gambar 1 menunjukkan Diagram khas yang diambil dari buku teks yang menunjukkan suhu yang dicapai oleh air sebagai fungsi waktu bila dipanaskan dengan laju yang konstan.

Transcript of Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

Page 1: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

Nama : Sudrajat Saputra

No.Reg : 3215102345

Prodi : Pendidikan Fisika Reguler 2010

Apakah kurva pemanasan air seperti yang di deskripsikan?

H. G. Riveros(1) dan A I Oliva(2)

(1)Instituto de F'ısica UNAM, AP 20-364, 01000 M'exico DF, Meksiko

(2)Cinvestav IPN Unidad M'erida, Departamento F'ısica Aplicada, AP 73-O, 97310 M'erida, Yucat'an, Meksiko

Abstrak

Kami menganalisis kurva pemanasan air yang dijelaskan dalam buku teks. Sebuah eksperimen dikombinasikan dengan beberapa perhitungan perpindahan panas sederhana adalah dibahas. Perilaku teoritis dapat diubah dengan mengubah kondisi di mana percobaan dimodelkan. Dengan mengidentifikasi dan mengendalikan parameter yang berbeda yang terlibat selama proses pemanasan, kami menghitung bahwa radiasi, konveksi dan evaporasi adalah proses utama dalam kurva pemanasan.

Pengantar

Kurva pemanasan air sering digambarkan dalam buku teks. Perubahan fase air yang diketahui terjadi pada 0 ◦ C untuk peleburan (padat ke cair) dan 100 ◦ C untuk penguapan (cair ke gas) pada kondisi tekanan normal. Gambar 1 menunjukkan Diagram khas yang diambil dari buku teks yang menunjukkan suhu yang dicapai oleh air sebagai fungsi waktu bila dipanaskan dengan laju yang konstan.

Pada gambar 1 lereng-segmen a-b adalah fase padat dari air (es), pada titik b lereng mengalami perubahan yang signifikan. Dalam segmen b-c kebutuhan air untuk mengkonsumsi panas untuk membuat perubahan fase (entalpi fusi, 333 J g-1 pada 0 ◦ C) tanpa meningkatkan suhu. Sekali air telah menjadi cair, energi yang diterapkan digunakan untuk mengubah suhu (segmen c-d), membutuhkan 4,184 J g-1 untuk mengubah suhu sebesar 1 K, (panas spesifik) [1]. Pada 100 ◦ C, terjadi perubahan fase lain. Air yang cair sekarang berubah menjadi uap (segmen d-e). Hal ini membutuhkan energi yang lebih tinggi (Panas laten penguapan adalah 2.257 J g-1 pada 100 ◦ C) namun suhu tetap konstan dengan waktu [2]. Segmen e-f menunjukkan fase uap air. Tapi akan terlihat seperti apa kurva pemanasan jika diperoleh dari hasil eksperimen?

Page 2: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

Gambar 1. Proses pemanasan air. Suhu tetap konstan selama perubahan fase (segmen b-c dan d-e).Tekanan ini diasumsikan konstan.

Untuk menjelaskan bentuk kurva buku itu diasumsikan bahwa:

1) Energi yang diterapkan pada sistem adalah konstan.

2) Semua energi masuk ke dalam air.

3) Tidak ada kehilangan energi oleh konduksi, konveksi dan radiasi.

4) Air menguap hanya ketika mendidih.

Page 3: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

Gambar 2. Diukur suhu air dengan termistor terletak di bagian bawah, tengah, dan atas kolom air. Sebuah termistor tambahan yang digunakan untuk mengukur suhu ruangan kamarnya. Suhu termometer merkuri itu digunakan sebagai pengaduk Perangkat juga ditampilkan.

Gambar 1 adalah pandangan sederhana, yang mudah mengerti, tetapi dengan mengukur suhu air dengan masukan energi yang konstan, kami memperoleh kurva yang ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2 menunjukkan bahwa keempat pengukur suhu sangat dekat. Sebuah efek pendinginan Newtonian yang diamati setelah mematikan pemanas dengan perilaku nonlinier suhu dengan karena transfer panas waktu dengan suhu udara ambien [3]. Suhu kamar meningkat dalam waktu perlahan-lahan.

Eksperimen serupa dapat dilakukan dengan campuran dari zat yang berbeda untuk mengubah titik didih atau titik beku air [4]. Kapasitas panas padatan [5] dan fase air [6] telah dipelajari menggunakan komputer.

Perlu dicatat bahwa diukur suhu didih sesuai dengan 93 ◦ C, pengukuran dilakukan di Mexico DF, yang 2300 m di atas permukaan laut, dengan kondisi barometic 580 mm Hg. Suhu ruang awal 20 ◦ C dan pemanas perendaman dinyalakan 4 menit setelah stabilisasi dan dimatikan 30 menit kemudian.

Kami menemukan perbedaan antara perilaku eksperimental dengan diagram dalam buku teks. Namun, dari perkiraan yang ditunjukkan dalam gambar 1 tidak mudahkah untuk dideskripsikan melalui eksperimen?

Diskusi

Kami memastikan bahwa semua energi itu masuk ke air dengan menggunakan sebuah perendam pemanas pada tegangan konstan. Dengan menggunakan kompor gas atau listrik, kami kehilangan beberapa energi dengan transfer ke lingkungan. Sebagai contoh, dalam percobaan menggunakan pemanas listrik, salah satu sepertiga dari energi yang diterapkan tidak digunakan untuk memanaskan air.

Hilangnya panas muncul ketika suhu dari sistem (gelas kaca dan air) lebih tinggi daripada suhu kamar, dan meningkatkan kerugian dengan peningkatan suhu sistem. Namun, kami dapat menghitung ini jika kami tahu nilai dari parameter dan persamaan yang sesuai. Pada sisi lain, karena air mulai menguap sebelum mendidih, kami bisa melihat ini sebagai kondensasi uap pada suhu kamar.

Energi yang digunakan untuk memanaskan sistem lengkap adalah jumlah dari kapasitas pemanasan (produk massa m dan Cp panas spesifik, Cc = mCp) dari setiap elemen dikalikan dengan tingkat pemanasan dT / dt; yang

Page 4: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

dQ / dt = (Cc air + Cc gelas+ Cc kaca termistor + Cc Pemanas) dT / dt. (1)

Hilangnya panas secara konveksi di permukaan bebas dapat diestimasi dengan relasi

(2)

di mana h adalah koefisien konveksi, dan nilai itu dapat disesuaikan sehingga daya total dihitung dengan pendekatan penerapan daya listrik, ΔT perubahan temperatur, dan Ah daerah konvektif.

Energi yang hilang dari proses radiasi dapat dihitung dengan produk dari radiasi daya Pr dan daerah Ar radiasi; yang

(3)

Di sini, dengan sebagai tetapan Stefan-Boltzman, dengan nilai T diberikan dalam kelvin, dan emisivitas ε adalah nomor karakteristik untuk masing-masing permukaan dan suhu.

Energi yang hilang oleh penguapan diukur oleh produk dari tingkat massa hilang (dM/dt) dan penguapan panas laten Cv:

(4)

Energi yang hilang oleh proses konduksi melalui dasar terisolasi diperkirakan kurang dari 1%, dan dianggap diabaikan.

Page 5: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

Gambar 3. Penerapan daya listrik, daya total dan suhu selama pemanasan air. Total nilai daya adalah kontribusi dari pemanasan, konveksi, radiasi dan proses penguapan. Suhu air diukur di tengah ketinggian sistem ini juga direncanakan. Skala numerik yang sama digunakan untuk perencanaan.

Detail-detail eksperimental

Percobaan yang diuraikan di bawah ini dirancang untuk mengukur suhu air dengan waktu saat pemanasan. Dari gambar 2, selama menit-menit pertama kurva menunjukkan kestabilan suhu diukur menit demi menit dengan menggunakan termistor dan suhu diukur dengan termometer-merkuri digunakan sebagai pengaduk.

Air direbus setelah 28 menit, dan perendam pemanas dimatikan setelah 32 menit. Di pesan untuk mengukur tingkat penguapan, Gelas kaca itu ditempatkan di atas timbangan digital, dan permukaan radiasi (dalam W m-2) diukur dengan sebuah sensor inframerah. Data yang diperoleh dengan sensor dan data dihitung dari radiasi benda hitam (persamaan Planck) adalah sama jika kami mempertimbangkan nilai ε = 0,96 sebagai emisivitas.

Kami memanaskan 0,500 kg air dalam gelas kaca 8,79 cm dan diameter 0,167 kg massa, dengan listrik dari perendam pemanas kecil. Ketinggian air dalam gelas kaca adalah 8,2 cm. Tiga termistor yang terletak di pusat, bawah dan atas bagian dari kolom air untuk mengukur suhu dengan saat pemanasan. Massa dari termistor dan pemanas masing-masing adalah 0,0227 kg dan 0,0753 kg. Daya perendam pemanas yang terdisipasi 184 W.

Page 6: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

Gambar 4. Daya total adalah jumlah kapasitas panas konsumsi dan semua kerugian yang relevan.

Dengan data yang diambil dari eksperimen diatas, kami mendapat perhitungan numerik yang berbeda kontribusi dari aliran panas.

Gambar 3 dan 4 menunjukkan hasil yang diperoleh dari perhitungan numerik dengan menggunakan persamaan (1) - (4). Daya total adalah jumlah dari empat perhitungan suhu, dan harus sama dengan daya listrik input.

Daya total dihitung melalui pendekatan penerapan daya listrik, karena kami menyesuaikan koefisien konveksi h untuk melakukan itu. Suhu dan daya total menunjukkan penundaan terkait dengan perpindahan panas dari volume dengan kerugian permukaan (tidak diperhitungkan)

Awalnya, energi itu digunakan untuk memanaskan sistem, tapi setelah 10 menit, energi yang hilang oleh penguapan meningkat dari 0 sampai terserap 150 W dari W 184 dari input. Pada suhu maksimum, energi yang hilang oleh radiasi dan konveksi masing-masing adalah 15 W dan 12 W. Kami bisa melihat bahwa dalam menit pertama pemanasan, kerugian energi diabaikan, jadi kami bisa berasumsi bahwa semua daya digunakan dalam sistem pemanas. Dari data dari bagian linier (awal) pemanasan kurva, 6-13 menit, dT / dt = (4.67 ± 0.12) ◦ C min-1 = (0,078 ± 0,002) ◦ C s-1, kemudian, kami memperoleh kapasitas pemanasan efektif sebagai Cc = 2.360 ± 80 J ◦ C-1, yang dapat dibandingkan dengan nilai 2.345 J ◦ C-1 yang digunakan dalam perhitungan numerik pertama.

Page 7: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

Gambar 5. Hilangnya massa per menit (dm / dt) terlalu mengganggu. Perubahan rata-rata <dM/dt> lebih dari 5 poin memberikan data yang lebih baik untuk penguapan, terutama di sisi pendingin.

Proses penguapan tidak stabil; Data massa setiap menit adalah terlalu mengganggu; akibatnya, kami menggunakan perubahan rata-rata lebih dari 5 menit. Waktu mendidih hanya 4 menit, sehingga tingkat penguapan muncul tidak stabil (gambar 5).

Kami menyimpulkan bahwa penyimpangan temperatur terutama disebabkan oleh proses penguapan, yang menyumbang hampir 82% pada suhu maksimum, dengan terhitung untuk radiasi 8% dan konveksi 7%. Hilangnya massa selama pemanasan adalah 45,1 g ditambah 22,3 g selama pendinginan. Untuk tujuan memasak ini berarti energi yang terbuang, dan setelah mencapai titik didih panas harus dikurangi dengan jumlah minimum yang diperlukan untuk mempertahankan suhu. Kami menggunakan/menghilangkan sekitar 34 W dalam konduksi, konveksi dan radiasi , dan 150 W di penguapan.

Dari wilayah linear diperrkirakan laju pendinginan di 34-41 menit, dT / dt = (-2,24 ± 0.06) ◦ C min-1 = (0,037 ± 0,001) ◦ C s-1, dan kapasitas panas dari sistem (2155 J ◦ C-1, karena kami kehilangan 0,0451 kg air oleh penguapan) kami mendapatkan nilai efektif untuk kehilangan sebagai produk dari kapasitas panas dan laju pendinginan = (80 ± 4) W, menunjukkan bahwa dengan kurang dari setengah daya awal sistem akan menjadi panas. Karena radiasi, konveksi dan konduksi mendekati 30 W pada suhu maksimum, kami dapat memperkirakan kehilangan minimum penguapan tanpa mendidih yaitu 50 W, jika kami mengurangi daya input untuk menggunakan energi lebih efisien.

Gambar 6. Pendinginan suhu sebagai fungsi waktu, dan disesuaikan eksponensial kurva dengan waktu yang konstan τ = 28 min.

Page 8: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

Mengurangi penguapan dengan melapisi bagian wadah tidak dianjurkan, karena hal ini dapat menyebabkan kenaikan tekanan, sehingga terjadi ledakan. Sebuah pressure cooker memiliki katup untuk menjaga tekanan konstan, melepaskan uap ketika diperlukan.

Hukum pendinginan Newton memberikan eksponensial pembusukan suhu ketika semua kerugian termal sebanding dengan ΔT (suhu Sistem dikurangi suhu kamar). Gambar 6

menunjukkan peluruhan eksponensial disesuaikan dengan waktu konstan τ

= 28 menit, ˔T = 72 ◦ C dan suhu kamar = 22,5 ◦ C.

Karena penguapan tidak sebanding dengan ΔT, kurva diukur disesuaikan pada suhu rendah, seperti yang diduga.

Percobaan ini dapat digunakan untuk menjelaskan konsep dan mencoba metode numerik, dan juga dapat memberikan siswa kesempatan untuk menjadi akrab dengan urutan besarnya kerugian termal dan bagaimana menerjemahkan asumsi teoritis ke dalam prosedur eksperimental. Persamaan-persamaan yang kami gunakan mengasumsikan temperatur yang sama di semua titik dari sistem, mengabaikan waktu yang dibutuhkan untuk panas mengalir, sehingga kami tidak bisa menghitung penundaan terkait. Penundaan waktu ini tampak jelas pada awal wilayah pemanasan dan pendinginan kurva, sehingga kemiringan awal dimulai setelahnya.

Menerima 14 Mei 2007, dalam bentuk akhir 13 Agustus 2007 doi: 10.1088/0031-9120/43/2/007 Maret 2008

PENDIDIKAN FISIKA

H G Riveros dan A I Oliva

Referensi

[1] Galloway L III dan Wilson John F Jr 1992 Guru Fisika 30 504

[2] Linz E 1995 Guru Fisika 33 294

[3] O'Connell James 1999 Guru Fisika 37 551

[4] Guemes J, Fiolhais C dan Fiolhais M 2.002 Eur. J. Phys. 23 83

[5] Bligh PH, Haywood R dan JJ Johnson 1997 Phys. Educ. 22 310-5

[6] Pushkin D B dan Zheng T F 1.995 Phys. Educ. 30 81-5

Page 9: Apakah Pemanas Air Kurva Sebagai Dijelaskan

H G Riveros telah menjadi anggota Instituto de F'ısica de la Universidad Nacional de Aut'onoma M'exico (UNAM) sejak 1963. Ia telah menulis beberapa buku dan merancang banyak percobaan dan demonstrasi. Dia menulis kolom 'Los Placeres del Pensamiento' dalam Buletin Fisik Meksiko.

A I Oliva Ia memperoleh gelar PhD pada tahun 1994 di bahan bidang ilmu. Dia adalah Titular Peneliti dari Fisika Terapan Departemen di Cinvestav-M'erida (Meksiko), di mana ia adalah Koordinator Akademik wilayah pascasarjana.

Saran

Jurnal ini dapat kita pakai untuk menjelaskan pelajaran Kalor kelas X SMA.

Untuk mempergunakan jurnal ini diharapkan guru:

1) Memperhatikan karakteristik tingkat kemampuan akademik siswa.

2) Menguasai materi.

3) Telah menjelaskan konsep energi kalor dan perpindahan kalor.

4) Memberi waktu yang cukup.