FIZIK TINGKATAN 4 Bab 4 Haba Disunting oleh

FIZIK TINGKATAN 4 Bab 4 Haba Disunting oleh Cikgu Desikan SMK Changkat Beruas, Perak Dengan kolaborasi bersama Cikgu Khairul Anuar SMK Seri Mahkota, Kuantan

Bab 4 Haba Pelajar-pelajar yang dikasihi, TINGKATAN 4 FIZIK 2016 Dua proses asas pendidikan adalah yang mengetahui dan menilai. Objektif Pembelajaran: 1. 2. 3. 4. Memahami keseimbangan terma Memahami muatan haba tentu Memahami haba pendam tentu Memahami hukum-hokum gas Analisis Soalan-soalan Tahun Lepas P 1 P 2 P 3 A B C A B 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 5 1 - 5 1 1 - 4 1 - 5 1 1 - 6 1 1 3 1 1 - 4 1 1 - 2015

Bab 4 Haba Pelajar-pelajar yang dikasihi, Kejayaan adalah sejumlah usaha kecil, yang diulang hari demi hari. Peta Konsep Haba Keseimbangan haba Muatan Haba Tentu Haba Pendam Tentu Hukum Gas Hukum Charles Q = mcθ Haba Pendam Tentu Pelakuran Haba Pendam Tentu Pengewapan Q = mlf Q = mlv Hukum Boyle Hukum Tekanan 3

4. 1 Keseimbangan Terma Darjah kepanasan suatu objek Unit SI : Kelvin, K Apabila satu objek dipanaskan, ia akan menyerap tenaga haba dan suhu objek akan meningkat. Suatu objek yang panas mempunyai suhu yang lebih tinggi daripada objek sejuk. • • Dua objek berada dalam sentuhan terma apabila tenaga haba boleh dipindahkan di antara mereka. Suatu bentuk tenaga Diukur dalam unit Joule, J Apabila objek disejukkan, ia akan membebaskan tenaga haba dan suhu objek akan berkurang. Haba bersih dipindahkan dari objek yang lebih panas (bersuhu tinggi) kepada objek yang lebih sejuk. 4

Pemindahan Haba Apabila dua objek dengan darjah kepanasan yang berbeza berada dalam ________ tenaga haba antara kedua-dua objek tersebut. Mekanisma Keseimbangan Terma kadar pemindahan haba lebih cepat dari A ke B A Panas B Sejuk kadar pemindahan haba lebih perlahan dari B ke A • • • A Panas A B B A B Sejuk kadar pemindahan haba sama dari A ke B Aliran haba bersih dari objek yang panas ke objek yang sejuk Haba dipindahkan pada kadar yang lebih ______ daripada objek yang panas ke objek yang sejuk. Haba juga dipindahkan daripada objek yang sejuk kepada yang panas, tetapi pada kadar yang lebih ______. Terdapat __________bersih dari objek panas ke objek sejuk. Objek yang panas menjadi sejuk manakala objek yang sejuk menjadi panas. • • Tiada aliran haba bersih Selepas beberapa lama, tenaga haba dipindahkan pada kadar yang _____ antara kedua-dua objek. Tidak ada pemindahan haba bersih antara objek. Kedua-dua objek yang dikatakan berada dalam ______________. 5

Keseimbangan Terma Apabila dua objek berada dalam keseimbangan terma, Contoh 1. Tuala basah diletakkan di atas dahi pesakit demam panas. 2. Pada permulaan suhu tuala basah lebih rendah berbanding suhu badan pesakit demam panas. 3. Tenaga haba bersih dipindahkan dari dahi pesakit ke tuala basah sehingga keseimbangan terma dicapai. 4. Dengan cara ini, tenaga haba mampu disingkirkan daripada pesakit dan dapat menurunkan suhu badan pesakit demam panas. “ 1. Minuman yang panas boleh disejukkan dengan menambahkan beberapa ketul ais ke dalam minuman tersebut. 2. Tenaga haba bersih dipindahkan dari minuman panas kepada ais sehingga keseimbangan terma antara ais dan air dicapai. 3. Suhu minuman dan ais adalah sama apabila keseimbangan terma dicapai. Strength does not come from physical capacity. It comes from an indomitable will. Mahatma Gandhi ” 6

Ciri-ciri cecair yang digunakan dalam termometer cecair-dalam-kaca Bagaimana thermometer cecair-dalam-kaca berfungsi? Termometer Cecair -Dalam-Kaca 1. Bebuli termometer mengandungi cecair merkuri yang berjisim tetap. Isipadu merkuri bertambah apabila ia menyerap haba. 2. Cecair merkuri mengembang dan naik di dalam tiub kapilari. Panjang turus merkuri dalam tiub kapilari dapat menunjukkan nilai suhu. Bagaimana termometer ditentukur? 1. Skala suhu dan unit suhu diperoleh denga memilih dua suhu yang dikenali sebagai takat tetap. 2. Definitsi takat lebuh dan takat didih : Takat tetap bawah : Takat lebur Definisi Nilai Suhu ais yang melebur Suhu air yang mendidih pada tekanan atmosfera piawai, 76 cm Hg. 7

Bagaimana termometer ditentukur? Takat didih L 100 Apabila kedua-dua titik tetap telah ditanda pada batang termometer, julat di antaranya dibahagikan sama rata kepada 100 bahagian atau darjah. Termometer itu kini mempunyai skala. L 100 L 0 100 senggatan yang sama Ais melebur Lθ Takat beku Stim Air mendidih Air L 0 Takat lebur Takat didih Bebuli 8

Prinsip kerja termometer • • Apabila termometer dimasukkan dalam air panas, haba bersih mengalir daripada air panas ke termometer. Apabila berlaku keseimbangan terma kadar pemindahan haba bersih adalah sifar. Suhu termometer adalah sama dengan suhu air panas. Oleh itu bacaan termometer ketika itu adalah merupakan suhu air panas. Termometer Apakah ciri-ciri yang membolehkan merkuri sesuai digunakan sebagai cecair dalam termometer ? Bagaimana meningkatkan kepekaan termometer merkuri? 9

Latihan 4. 1 1. Antara ciri-ciri berikut, yang manakah digunakan dalam fungsi termometer cecair dalam kaca? A Isipadu cecair yang berjisim tetap B Isipadu jisim tetap cecair C Rintangan cecair D Ketumpatan cecair 2. Antara kaedah berikut boleh digunakan untuk meningkatkan sensitiviti termometer merkuri? A Bebuli kaca berdinding tebal B Tiub kapilari yang sempit C Tiub kapilari yang pendek D Bebuli kaca yang besar 3. Sebuah termometer alkohol dalam kaca tidak ditentukur. Apabila ia dimasukkan ke dalam ais yang melebur dan air yang mendidih, panjang turus merkuri masing-masing adalah 5. 2 cm dan 13. 7 cm. Apabila ia dimasukkan ke dalam secawan air suam, panjang alkohol adalah 9. 8 cm. Kira suhu air panas. A 44. 12 °C B 52. 22 °C C 20. 45 °C D 54. 12 °C 10

4. 2 Muatan Haba Tentu Muatan haba kuantiti haba yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu bahan sebanyak 1°C atau 1 K. Muatan Haba Tentu, c Unit SI : = J kg-1°C-1 / J kg-1 K-1 Q = Haba diserap atau dibebaskan, unit J m = Jisim bahan, unit kg ∆θ = Perubahan suhu, unit °C Kuantiti haba yang diserap atau dibebaskan oleh bahan Q = mc∆θ Apakah maksud muatan haba tentu aluminium = 900 Jkg-1°C-1 ? Apakah maksud muatan haba tentu air = 4200 Jkg-1°C-1 ? 11

Sifat fizikal bahan-bahan yang mempunyai muatan haba tentu yang berbeza Muatan haba tentu Dipanaskan Disejukkan Sifat bahan yang mempunyai muatan haba tentu yang kecil 1. Suhu bahan meningkat dalam masa yang singkat apabila dipanaskan dan menurun dalam masa yang singkat apabila disejukkan (Konduktor haba yang baik). Contoh: Logam seperti besi, keluli, tembaga dan aluminium biasa digunakan sebagai periuk dan kuali. Ini kerana logam ini boleh dipanaskan dengan cepat. 2. Bahan ini peka terhadap perubahan suhu. Contoh: Logam merkuri dalam thermometer mempunyai muatan haba tentu yang kecil yang membolehkannya menyerap dan membebaskan haba dengan mudah. Sifat bahan yang mempunyai muatan haba tentu yang besar 1. Suhu bahan meningkat dalam masa yang panjang (lambat) apabila dipanaskan dan menurun dalam masa yang panjang (lambat) apabila disejukkan. (Konduktor haba yang lemah). 2. Bahan ini boleh menyerap tenaga haba dalam kuantiti yang besar tanpa mengalami peningkatan suhu yang tinggi. Contoh: Air digunakan sebagai ajen penyejuk dalam radiator kenderaan. 12

Aplikasi Muatan Haba Tentu 1. Muatan haba tentu yang tinggi _____________________________ Konduktor haba yang lemah 2. Periuk Dasar kuprum 1. 2. Muatan haba tentu rendah. Periuk menjadi panas dengan cepat. Ini membolehkan makanan di dalam periuk dimasak dengan cepat. Ketumpatan tinggi. ___________________________ Badan Aluminium 1. Muatan haba tentu yang rendah. Periuk menjadi panas dengan cepat. 2. Ketumpatan rendah. Periuk lebih ringan 3. Tidak bertindak balas dengan makanan di dalam periuk 13

Bayu Laut • • • Daratan mempunyai muatan haba tentu yang lebih rendah berbanding dengan laut. Maka suhu daratan meningkat dengan lebih cepat berbanding suhu laut di waktu siang. Udara di daratan menjadi panas dan naik ke atas. Udara yang lebih sejuk daripada lautan bergerak dari laut menuju ke arah daratan sebagai bayu laut. Bayu Darat • • • Lautan mempunyai muatan haba tentu yang lebih tinggi berbanding daratan. Maka, suhu lautan menurun lebih lambat berbanding suhu daratan di waktu malam. Udara di atas permukaan lautan yang panas akan naik ke atas. Udara yang lebih sejuk daripada daratan akan bergerak ke arah lautan sebagai bayu darat. 14

Latihan 4. 2 1. Hitungkan jumlah tenaga haba yang diserap oleh sebuah blok kuprum berjisim 2 kg dari suhu 31 C kepada 80 C. (muatan haba tentu kuprum = 390 Jkg-1°C-1) 2. Sebuah pemanas rendam berlabel 2 k. W, 240 V digunakan untuk memanaskan 4 kg air. Berapakah kenaikan suhu air apabila pemanas itu digunakan selama 1 minit. (Muatan haba tentu air = 4 200 Jkg-1°C-1) Anggap tiada kehilangan haba ke persekitaran. Tips : Tenaga Elektrik, E = Pt = VIt Tenaga Haba, Q = mcθ 15

3. Sebutir peluru plumbum bergerak mendatar dengan halaju 130 ms-1 dan terbenam ke dalam dinding simen selepas perlanggaran. Jika muatan haba tentu plumbum = 130 Jkg-1°C-1 dan semua haba dihasilkan diserap oleh peluru, apakah peningkatan suhu peluru? 4. Sebuah blok aluminium berjisim 1 kg dipanaskan oleh pemanas elektrik selama 3 minit dan kenaikan suhu 15 ° C direkodkan. Voltmeter dan ammeter yang disambungkan kepada pemanas elektrik memberikan bacaan masing-masing 30 V dan 2. 5 A. Hitung muatan haba tentu aluminium. Tips : Tenaga Kinetik, E = ½ mv 2 Tenaga Haba, Q = mcθ 16

5. 300 g air pada suhu 40° C dicampur dengan 900 g air pada suhu 80 ° C. Jika tiada kehilangan haba ke persekitaran, apakah suhu akhir apabila campuran air mencapai keseimbangan terma? Tips : Tenaga haba yang dibebaskan = Tenaga haba yang diserap 17

4. 3 Haba Pendam Tentu Haba pendam 1. Apabila pepejal cair pada takat lebur, haba pendam pelakuran diserap 2. Untuk cecair memejal pada takat beku, haba pendam pelakuran dibebaskan. 3. Apabila cecair yang mendidih pada takat didihnya, haba pendam pengewapan diserap. 4. Apabila wap terkondensasi menjadi cecair semula, haba pendam pengewapan dibebaskan. PEPEJAL PELEBURAN PENDIDIHAN Haba pendam diserap Haba pendam dibebaskan PEBEKUAN CECAIR 4 perubahan fasa yang utama GAS Haba pendam dibebaskan KONDENSASI Ciri-ciri umum empat proses yang melibatkan perubahan fasa 1. Bahan mengalami perubahan fasa pada suhu tertentu. 2. Tenaga haba dipindahkan semasa perubahan fasa. 3. Semasa perubahan fasa, suhu terus ________ walaupun terdapat pemindahan haba. 18

Lengkung pemanasan Keadaan : Pepejal Suhu: Meningkat Keadaan : Cecair Suhu: Meningkat Keadaan : Gas Suhu: Meningkat Pepejal dipanaskan ke takat lebur Cecair dipanaskan ke takat didih Suhu gas meningkat ke suhu sumber Suhu F Takat didih Takat lebur D B E C A Masa Keadaan: Pepejal dan cecair Suhu: Tidak Berubah B : Pepejal mula lebur B – C : Pepejal melebur C : Pepejal lebur sepenuhnya Keadaan : Cecair dan gas Suhu : Tidak Berubah D : Cecair mula mendidih D – E : Cecair mendidih sepenuhnya 19

Lengkung Penyejukan Lengkapkan lengkung penyejukan. Keadaan: Gas Suhu: Berkurang Keadaan: Cecair Suhu: Berkurang Suhu berkurangan kerana haba dibebaskan ke persekitaran. Cecair disejukkan ke takat bekunya. Keadaan: Pepejal dan cecair Suhu: Tidak Berubah Suhu S : Pepejal mula membeku S – T : Cecair membeku sepenuhnya P Takat kondensasi Takat beku Q R S T U Masa Keadaan: Cecair dan gas Suhu: Tidak Berubah Keadaan: Pepejal Suhu: Berkurang S : Gas mula kondensasi Q – R : Gas kondensasi sepenuhnya Pepejal menyejuk ke suhu bilik. 20

Kenapa suhu bahan tetap semasa perubahan fasa jirim berlaku? 1. Semasa perubahan keadaan jirim, pemindahan tenaga haba tidak menyebabkan perubahan kepada tenaga kinetik zarah dalam bahan. 2. Semasa proses peleburan, tenaga haba yang diserap digunakan untuk memutuskan ikatan antara zarah-zarah dalam pepejal. Zarah-zarah terbebas daripada kedudukan tetapnya dan bergerak lebih bebas. Dalam keadaan ini, pepejal bertukar kepada cecair. 3. Semasa pendidihan, tenaga haba yang diserap digunakan untuk memutuskan ikatan antara zarah-zarah dalam cecair sepenuhnya dan mengatasi tekanan atmosfera yang bertindak ke atas permukaan cecair bagi menjadi gas (wap). Haba pendam tentu, l Unit SI: J kg-1 Q = tenaga haba yang diserap atau dibebaskan oleh bahan m = jisim bahan Haba pendam tentu pelakuran 21

Haba pendam tentu pengewapan Haba pendam tentu pelakuran ais = 336 000 Jkg-1 Haba pendam tentu pengewapan air = 2. 26 x 106 Jkg-1 336 000 J haba pendam diperlukan bagi 1 kg ais untuk melebur menjadi air pada suhu 0 °C Formula untuk mengira HABA Keadaan as as Haba yang diserap atau dibebaskan mengubah suhu bahan Jika haba dibekalkan menggunakan elektrik Apabila haba yang diserap atau dibebaskan menukar fasa bahan pada suhu malar P = kuasa pemanas elektrik, dalam unit W t = masa, dalam unit saat 22

Latihan 4. 3 1. Haba pendam tentu pelakuran ais ialah 336 000 Jkg-1. Apakah kuantiti haba yang diperlukan untuk mencairkan 2. 5 kg ais pada 0 ° C? Haba pendam tentu pelakuran ais = 336 000 Jkg-1 Haba pendam tentu pengewapan air = 2. 26 x 106 Jkg-1 Muatan haba tentu air = 4. 2 x 103 J kg-1°C-1 2. Sebuah cerek elektrik mengandungi 3 kg air. Kira jumlah haba yang diperlukan untuk mengewap semua air selepas takat didih air telah dicapai. 23

3. Apakah kuantiti haba yang diperlukan untuk menukar 4 g ais menjadi wap pada suhu 100°C. Haba pendam tentu pelakuran ais = 336 000 Jkg-1 Haba pendam tentu pengewapan air = 2. 26 x 106 Jkg-1 Muatan haba tentu air = 4. 2 x 103 J kg-1°C-1 24

Ketulan ais diletakkan di atas permukaan ikan atau makanan laut lain bagi memastikan kesegarannya dapat dikekalkan. Ais melebur dengan menyerap tenaga haba daripada ikan sekaligus menurunkan suhu ikan tersebut. Suhu ikan yang rendah iaitu menghampiri suhu takat lebur ais dapat menyebabkan aktiviti bakteria dapat diberhentikan atau diperlahankan. 1 Ketulan ais ditambah ke dalam air minuman yang panas untuk menurunkan suhunya. Ketulan ais melebur dengan menyerap tenaga haba yang banyak daripada air minuman. Ini menyebabkan suhu minuman menurun. 2 Aplikasi Haba Pendam Tentu 3 Air mempunyai haba pendam tentu pengewapan yang tinggi. Apabila wap air terkena pada makanan yang lebih sejuk suhunya, maka wap air akan terkondensasi. Makanan yang dimasak akan menyerap haba yang dikeluarkan oleh wap air semasa proses kondensasi. Ini menyebabkan makanan akan masak dengan lebih cepat kerana menyerap tenaga haba dengan banyak dalam keadaan tertutup. 4 Sentiasa berhati-hati apabila membuka tudung periuk apabila air di dalamnya mendidih. Air mempunyai haba pendam tentu pengewapan yang besar. Apabila wap terkondensasi pada kulit, sejumlah haba pendam yang sangat besar dibebaskan kepada kulit yang boleh menyebabkan kulit melecur. 25

4. 4 Hukum-hukum Gas Hukum Boyle Hukum Charles menyatakan bagi suatu gas yang jisimnya tetap, tekanan gas, P berkadar songsang dengan isi padunya, V jika suhu gas, T adalah malar. P menyatakan bahawa bagi suatu gas yang berjisim tetap, isi padu gas, V berkadar langsung dengan suhu mutlaknya, T jika tekanan gas itu adalah malar. P V T T PV V menyatakan bahawa bagi suatu gas yang jisimnya tetap, tekanan gas, P berkadar langsung dengan suhu mutlaknya, T jika isi padu gas itu adalah malar. V P PV Hukum Tekanan V/T P V/T V P/T T P/T P T 26

27

Hukum Boyle 1. Apabila isipadu gas yang berkurang, bilangan molekul per unit isipadu ______. 2. Bilangan molekul yang sama bergerak dalam ruang yang lebih kecil. 3. Molekul-molekul berlanggar dengan _______kerap dengan dinding bekas. 4. Peningkatan kadar perlanggaran menyebabkan _______ dalam Hukum Charles 1. Apabila gas dipanaskan, suhu gas meningkat. Tenaga kinetik purata molekul-molekul gas __________. 2. Kadar perlanggaran antara molekul dan dinding akan _____ jika isipadu adalah tetap. 3. Jika gas itu dibenarkan untuk mengembang, molekul-molekul yang sekarang bergerak dalam ruang yang lebih besar. 4. Oleh itu, kadar perlanggaran antara molekul dan dinding kekal ______ dan dengan itu tekanan malar. Hukum Tekanan 1. Apabila gas yang dipanaskan, suhu gas meningkat. Tenaga kinetik purata molekul-molekul gas________. 2. Molekul-molekul yang bergerak laju melanggar dinding bekas dengan lebih ________. 3. Oleh itu, tekanan gas __________. 28

Suhu Mutlak Suhu yang diukur dalam Kelvin, K V V T/K Tukar °C kepada Kelvin: θ + 273 Suhu terendah yang mungkin, iaitu____________. P θ / °C P T/K θ / °C Tukar Kelvin kepada °C : T – 273 Pada tahap ini: 1. Isipadu dan tekanan gas adalah sifar 2. tenaga kinetik molekul gas adalah sifar 3. molekul gas adalah pegun. Human beings unlike plants and animals have the capacity to choose what they want to be. I belief that if a child elects to be a brilliant and successful person he has the innate, God-given talents to achieve whatever he desires. There absolutely no obstacles to his ambition except himself. 29

Latihan 4. 4 Soalan 1 Udara di dalam pam kaki mempunyai isipadu awal 2800 cm 3 dan tekanan 100 k. Pa. Alur keluar pam ditutup dan omboh ditolak ke dalam sehingga isipadu udara menjadi 700 cm 3. Apakah tekanan udara termampat dalam pam? Soalan 2 Tekanan gelembung di bawah laut adalah 120 cm Hg. Apabila gelembung naik ke permukaan laut, isipadunya menjadi 25. 0 cm 3. Dengan mengandaikan bahawa tekanan atmosfera adalah 76 cm Hg, apakah isipadu asal gelembung? 30

Soalan 3 Silinder A mengandungi 200 cm 3 gas pada suhu 27°C. Gas dipanaskan sehingga suhu meningkat sebanyak 30°C. Jika omboh silinder mengembang di bawah tekanan malar, apakah isipadu akhir gas? Soalan 4 Sejumlah gas yang berjisim tetap dalam bekas logam tertutup mempunyai tekanan 2. 5 5 x 10 Pa. Jika gas dipanaskan dari suhu 27°C kepada 87°C, hitung tekanan akhir gas. 31