7.3 Teori Bohr tentang Atom Hidrogen

Karya Einstein membuka jalan untuk menjawab "misteri" sebelum abad ke sembilan belas lainnya dalam fisika: spektrum emisi atom.

Spektra Emisi

Sejak abad ketujuh belas, ketika Newton menunjukkan bahwa sinar matahari terdiri dari berbagai komponen warna yang dapat dikombinasi ulang untuk menghasilkan cahaya putih, para ahli kimia dan fisikawan telah mempelajari karakteristik spektrum emisi, yaitu, spektrum garis kontinu atau garis radiasi yang dipancarkan oleh zat-zat. Spektrum emisi suatu zat dapat dilihat dengan memberi energi pada sampel material baik dengan energi panas atau dengan bentuk energi lain (seperti pelepasan listrik bertegangan tinggi). Batang besi “merah-panas” atau “putih-panas” yang baru saja dilepas dari sumber bersuhu tinggi menghasilkan cahaya yang khas. Cahaya yang terlihat ini adalah bagian dari spektrum emisi yang direspon oleh mata. Kehangatan batang besi yang sama mewakili bagian lain dari spektrum emisinya — wilayah inframerah. Ciri umum dari spektrum emisi matahari dan padatan yang dipanaskan adalah keduanya kontinu; yaitu, semua panjang gelombang cahaya tampak diwakili dalam spektrum (lihat wilayah yang terlihat pada Gambar 7.4).

Spektrum emisi atom-atom dalam fase gas, di sisi lain, tidak menunjukkan penyebaran panjang gelombang yang terus-menerus dari merah ke ungu; melainkan, atom-atom menghasilkan garis-garis terang di berbagai bagian spektrum yang terlihat. Spektrum garis ini adalah emisi cahaya hanya pada panjang gelombang tertentu. Gambar 7.6 adalah diagram skematik tabung pelepasan yang digunakan untuk mempelajari spektrum emisi, dan Gambar 7.7 menunjukkan warna yang dipancarkan oleh atom hidrogen dalam tabung pelepasan.

Gambar 7.6 (a) Pengaturan eksperimental untuk mempelajari spektrum emisi atom dan molekul. Gas yang diteliti dalam tabung pelepasan yang berisi dua elektroda. Ketika elektron mengalir dari elektroda negatif ke elektroda positif, mereka bertabrakan dengan gas. Proses tabrakan ini akhirnya mengarah pada emisi cahaya oleh atom (atau molekul). Cahaya yang dipancarkan dipisahkan menjadi komponen-komponennya oleh sebuah prisma. Setiap warna komponen difokuskan pada posisi yang pasti, sesuai dengan panjang gelombangnya, dan membentuk gambar berwarna celah pada pelat fotografi. Gambar berwarna disebut garis spektral. (b) Spektrum emisi garis atom hidrogen.

Gambar 7.7 Warna yang dipancarkan oleh atom hidrogen dalam tabung pelepasan. Warna yang diamati dihasilkan dari kombinasi warna yang dipancarkan dalam spektrum yang terlihat.

Setiap unsur memiliki spektrum emisi yang unik. Garis karakteristik dalam spektrum atom dapat digunakan dalam analisis kimia untuk mengidentifikasi atom yang tidak diketahui, seperti sidik jari digunakan untuk mengidentifikasi orang. Ketika garis-garis spektrum emisi dari unsur yang diketahui persis sama dengan garis-garis spektrum emisi dari sampel yang tidak diketahui, identitas sampel tersebut ditetapkan. Meskipun kegunaan prosedur ini diakui beberapa waktu lalu dalam analisis kimia, asal mula garis-garis ini tidak diketahui sampai awal abad kedua puluh. Gambar 7.8 menunjukkan spektrum emisi beberapa unsur.

Gambar 7.8 Spektrum emisi berbagai unsur.

Spektrum Emisi Atom Hidrogen

Pada tahun 1913, tidak lama setelah penemuan Planck dan Einstein, penjelasan teoretis tentang spektrum emisi atom hidrogen disajikan oleh fisikawan Denmark Niels Bohr. Perlakuan Bohr sangat kompleks dan tidak lagi dianggap benar dalam semua perinciannya. Dengan demikian, kita akan berkonsentrasi hanya pada asumsi penting dan hasil akhirnya, yang memperhitungkan garis spektral.

Ketika Bohr pertama kali mengatasi masalah ini, fisikawan sudah tahu bahwa atom mengandung elektron dan proton. Mereka menganggap atom sebagai entitas di mana elektron berputar di sekitar inti dalam orbit melingkar dengan kecepatan tinggi. Ini adalah model yang menarik karena menyerupai gerakan planet-planet di sekitar matahari. Dalam atom hidrogen, diyakini bahwa tarikan elektrostatik antara proton "matahari" positif dan elektron "planet" negatif menarik elektron ke dalam dan bahwa gaya ini diimbangi persis oleh akselerasi ke luar karena gerakan melingkar dari elektron.

Akan tetapi, menurut hukum fisika klasik, sebuah elektron yang bergerak dalam orbit atom hidrogen akan mengalami percepatan menuju inti dengan memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Dengan demikian, elektron seperti itu akan dengan cepat berputar ke dalam inti dan memusnahkan dirinya dengan proton. Untuk menjelaskan mengapa hal ini tidak terjadi, Bohr mendalilkan bahwa elektron diizinkan untuk hanya menempati orbit tertentu dari energi tertentu. Dengan kata lain, energi elektron dikuantisasi. Sebuah elektron dalam orbit yang diizinkan tidak akan berputar ke inti dan karenanya tidak akan memancarkan energi. Bohr mengaitkan emisi radiasi oleh atom hidrogen yang berenergi ke elektron yang jatuh dari orbit yang lebih tinggi ke yang lebih rendah ke yang lebih rendah dan memancarkan kuantum energi (foton) dalam bentuk cahaya (Gambar 7.9). Bohr menunjukkan bahwa energi yang dapat ditempati oleh sebuah elektron dalam atom hidrogen diberikan oleh

(7.5)

di mana RH, konstanta Rydberg untuk atom hidrogen, memiliki nilai 2,18 X 10⁻¹⁸ J. Angka n adalah bilangan bulat yang disebut bilangan kuantum utama; ini memiliki nilai n = 1, 2, 3,. . . .

Gambar 7.9 Proses emisi dalam atom hidrogen tereksitasi, menurut teori Bohr. Sebuah elektron yang semula dalam orbit energi yang lebih tinggi (n=3) jatuh kembali ke orbit energi yang lebih rendah (n=2). Akibatnya, foton dengan energi h𝛎 dilepaskan. Nilai h𝛎 sama dengan perbedaan energi dari dua orbit yang ditempati oleh elektron dalam proses emisi. Untuk kesederhanaan, hanya tiga orbit yang ditampilkan.

Tanda negatif dalam Persamaan (7.5) adalah konvensi arbitrer, yang menandakan bahwa energi elektron dalam atom lebih rendah dari energi elektron bebas, yang merupakan elektron yang jauh dari inti. Energi elektron bebas secara sewenang-wenang diberi nilai nol. Secara matematis, ini sesuai dengan pengaturan n sama dengan tak hingga dalam Persamaan (7.5), sehingga E∞ = 0. Ketika elektron semakin dekat ke inti (saat n berkurang), En menjadi lebih besar dalam nilai mutlak, tetapi juga lebih negatif . Nilai paling negatif, kemudian, dicapai ketika n = 1, yang sesuai dengan keadaan energi paling stabil. Kita menyebutnya keadaan dasar, atau tingkat dasar, yang mengacu pada keadaan energi terendah dari suatu sistem (yang merupakan atom dalam diskusi kita). Stabilitas elektron berkurang selama n = 2, 3,. . . . Masing-masing tingkat ini disebut keadaan tereksitasi, atau tingkat tereksitasi, yang lebih tinggi dalam energi daripada keadaan dasar. Elektron hidrogen yang n lebih besar dari 1 dikatakan dalam keadaan tereksitasi. Jari-jari setiap orbit melingkar dalam model Bohr tergantung pada n². Jadi, ketika n bertambah dari 1 menjadi 2 menjadi 3, jari-jari orbit meningkat dengan sangat cepat. Semakin tinggi keadaan tereksitasi, semakin jauh elektron dari inti (dan semakin tidak kuat dipegang oleh inti).

Teori Bohr memungkinkan kita untuk menjelaskan spektrum garis atom hidrogen. Energi radiasi yang diserap oleh atom menyebabkan elektron bergerak dari keadaan energi yang lebih rendah (ditandai dengan nilai n yang lebih kecil) ke keadaan energi yang lebih tinggi (ditandai dengan nilai n yang lebih besar). Sebaliknya, energi radiasi (dalam bentuk foton) dipancarkan ketika elektron bergerak dari keadaan energi tinggi ke energi rendah. Pergerakan elektron yang terkuantisasi dari satu keadaan energi ke kondisi lain analog dengan pergerakan bola tenis baik naik atau turun satu set tangga (Gambar 7.10). Bola bisa berada di salah satu dari beberapa langkah tetapi tidak pernah di antara langkah-langkah. Perjalanan dari langkah yang lebih rendah ke yang lebih tinggi adalah proses yang membutuhkan energi, sedangkan gerakan dari langkah yang lebih tinggi ke langkah yang lebih rendah adalah proses pelepasan energi. Kuantitas energi yang terlibat dalam kedua jenis perubahan ditentukan oleh jarak antara langkah awal dan akhir. Demikian pula, jumlah energi yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron dalam atom Bohr tergantung pada perbedaan tingkat energi antara keadaan awal dan akhir.

Gambar 7.10 Analogi mekanis untuk proses emisi. Bola bisa beristirahat pada langkah apa pun tetapi tidak di antara langkah.

Untuk menerapkan Persamaan (7.5) pada proses emisi dalam atom hidrogen, mari kita anggap bahwa elektron pada awalnya dalam keadaan tereksitasi yang ditandai dengan bilangan kuantum utama ni. Selama emisi, elektron turun ke keadaan energi yang lebih rendah yang ditandai dengan bilangan kuantum utama nf (subskrip i dan f masing-masing menyatakan keadaan awal dan akhir). Keadaan energi yang lebih rendah ini bisa berupa keadaan kurang eksitasi atau keadaan dasar. Perbedaan antara energi dari kondisi awal dan akhir adalah

∆E = Ef - Ei

dari Persamaan (7.5)

dan

sehingga,

Tabel 7.1 Berbagai Seri dalam Spektrum Emisi Atom Hidrogen

Seri	nf	ni	Wilayah spektrum
Lyman	1	2, 3, 4, ...	Ultraviolet
Balmer	2	3, 4, 5, ...	Cahaya tampak dan ultraviolet
Paschen	3	4, 5, 6, ...	Inframerah
Brackett	4	5, 6, 7, ...	Inframerah

Karena transisi ini menghasilkan emisi foton frekuensi 𝛎 dan energi h𝛎, kita dapat menulis

(7.6)

Ketika foton dipancarkan, ni > nf. Akibatnya istilah dalam tanda kurung negatif dan 𝚫E negatif (energi dilepas ke lingkungan). Ketika energi diserap, ni < nf dan istilah dalam tanda kurung adalah positif, jadi 𝚫E adalah positif. Setiap garis spektral dalam spektrum emisi sesuai dengan transisi tertentu dalam atom hidrogen. Ketika kita mempelajari sejumlah besar atom hidrogen, kita mengamati semua kemungkinan transisi dan karenanya garis spektral yang sesuai. Kecerahan garis spektral tergantung pada berapa banyak foton dengan panjang gelombang yang sama dipancarkan.

Spektrum emisi hidrogen mencakup berbagai panjang gelombang dari inframerah sampai ultraviolet. Tabel 7.1 mencantumkan serangkaian transisi dalam spektrum hidrogen; mereka dinamai menurut penemunya. Seri Balmer sangat mudah dipelajari karena sejumlah garisnya jatuh dalam rentang yang terlihat.

Gambar 7.9 menunjukkan satu transisi. Namun, itu lebih informatif untuk mengekspresikan transisi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.11. Setiap garis horizontal mewakili tingkat energi yang diizinkan untuk elektron dalam atom hidrogen. Tingkat energi diberi label dengan nomor kuantum utama mereka.

Gambar 7.11 Tingkat energi dalam atom hidrogen dan berbagai seri emisi. Setiap tingkat energi sesuai dengan energi yang terkait dengan keadaan energi yang diizinkan untuk orbit, sebagaimana didalilkan oleh Bohr dan ditunjukkan pada Gambar 7.9. Garis emisi diberi label sesuai dengan skema pada Tabel 7.1.

Contoh 7.4 menggambarkan penggunaan Persamaan (7.6).

Contoh 7.4

Berapa panjang gelombang foton (dalam nanometer) yang dipancarkan selama transisi dari keadaan ni = 5 ke keadaan nf = 2 dalam atom hidrogen?

Strategi

Diketahui status awal dan akhir dalam proses emisi. Kita dapat menghitung energi foton yang dipancarkan menggunakan Persamaan (7.6). Kemudian dari Persamaan (7.2) dan (7.1) kita dapat menyelesaikan untuk panjang gelombang foton. Nilai konstanta Rydberg diberikan dalam teks.

Penyelesaian
Dari Persamaan (7.6) kami menulis

Tanda negatif menunjukkan bahwa ini adalah energi yang terkait dengan proses emisi. Untuk menghitung panjang gelombang, kita akan menghilangkan tanda minus untuk 𝚫E karena panjang gelombang foton harus positif. Karena 𝚫E = h𝛎 atau 𝛎 = 𝚫E/h, kita dapat menghitung panjang gelombang foton dengan menulis

Periksa

Panjang gelombang berada di daerah terlihat dari wilayah elektromagnetik (lihat Gambar 7.4). Ini konsisten dengan fakta bahwa karena nf = 2, transisi ini memunculkan garis spektral dalam deret Balmer (lihat Gambar 7.6).

Latihan

Berapa panjang gelombang (dalam nanometer) foton yang dipancarkan selama transisi dari ni = 6 ke nf = 4 keadaan dalam atom H?

Ulasan Konsep

Hitung energi yang dibutuhkan untuk mengionisasi atom hidrogen dalam keadaan dasarnya. [Terapkan Persamaan (7.6) untuk proses penyerapan.]

7.2 Efek Fotolistrik

Pada tahun 1905, hanya lima tahun setelah Planck mempresentasikan teori kuantumnya, Albert Einstein menggunakan teori tersebut untuk memecahkan misteri lain dalam fisika, efek fotolistrik, sebuah fenomena di mana elektron dikeluarkan dari permukaan logam tertentu yang terkena cahaya setidaknya frekuensi minimum tertentu, yang disebut frekuensi ambang batas (Gambar 7.5). Jumlah elektron yang dikeluarkan proporsional dengan intensitas (atau kecerahan) cahaya, tetapi energi dari elektron yang dikeluarkan tidak. Di bawah frekuensi ambang batas tidak ada elektron yang terlontar tidak peduli seberapa kuat cahayanya.

Efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan oleh teori gelombang cahaya. Einstein, bagaimanapun, membuat asumsi yang luar biasa. Dia menyarankan bahwa seberkas cahaya benar-benar aliran partikel. Partikel-partikel cahaya ini sekarang disebut foton. Menggunakan teori kuantum radiasi Planck sebagai titik awal, Einstein menyimpulkan bahwa setiap foton harus memiliki energi E, yang diberikan oleh persamaan

E = h 𝛎

di mana 𝛎 adalah frekuensi cahaya.

Gambar 7.5 Alat untuk mempelajari efek fotolistrik. Cahaya dengan frekuensi tertentu jatuh pada permukaan logam yang bersih. Elektron yang dikeluarkan tertarik ke arah elektroda positif. Aliran elektron tercatat oleh meter pendeteksi. Meter cahaya yang digunakan dalam kamera didasarkan pada efek fotolistrik.

Contoh 7.2

Hitung energi (dalam joule) dari (a) foton dengan panjang gelombang 5,00 x 10⁴ nm (wilayah inframerah) dan (b) foton dengan panjang gelombang 5,00 x 10⁻² nm (wilayah sinar X).

Strategi

Baik dalam (a) dan (b) kita diberi panjang gelombang foton dan diminta untuk menghitung energinya. Kita perlu menggunakan Persamaan (7.3) untuk menghitung energi. Konstanta Planck diberikan dalam lampiran.

Penyelesaian

Dari persamaan 7.3

Ini adalah energi dari satu foton dengan panjang gelombang 5,00 x 10⁴ nm.

(b) Dengan mengikuti prosedur yang sama seperti pada (a), kita dapat menunjukkan bahwa energi foton yang memiliki panjang gelombang 5,00 x 10⁻² nm adalah 3,98 x 10⁻¹⁵ J.

Periksa

Karena energi foton meningkat dengan menurunnya panjang gelombang, kita melihat bahwa foton "sinar-X" adalah 1 x 10⁶, atau satu juta kali, lebih energik daripada foton "inframerah".

Latihan 

Energi foton adalah 5,87 x 10⁻²⁰ J. Berapa panjang gelombangnya (dalam nanometer)?

Elektron ditahan dalam logam oleh gaya tarik menarik, dan karenanya mengeluarkannya dari logam membutuhkan cahaya dengan frekuensi cukup tinggi (yang sesuai dengan energi cukup tinggi) untuk membebaskannya. Menyinari seberkas cahaya ke permukaan logam dapat dianggap sebagai menembakkan seberkas partikel — foton — pada atom logam. Jika frekuensi foton sedemikian rupa sehingga h𝛎 persis sama dengan energi yang mengikat elektron dalam logam, maka cahaya akan memiliki energi yang cukup untuk melepaskan elektron. Jika kita menggunakan cahaya dengan frekuensi yang lebih tinggi, maka elektron tidak hanya akan terurai, tetapi mereka juga akan memperoleh energi kinetik. Situasi ini diringkas oleh persamaan

h𝛎 = EK + W (7.4)

di mana EK adalah energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan dan W adalah fungsi kerja, yang merupakan ukuran seberapa kuat elektron dipegang dalam logam. Persamaan Penulisan Ulang (7.4) sebagai

EK = h𝛎 - W

menunjukkan bahwa semakin energik foton (yaitu, semakin tinggi frekuensinya), semakin besar energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan.

Sekarang perhatikan dua sinar cahaya yang memiliki frekuensi yang sama (yang lebih besar dari frekuensi ambang batas) tetapi intensitasnya berbeda. Sinar cahaya yang lebih intens terdiri dari sejumlah besar foton; akibatnya, ia mengeluarkan lebih banyak elektron dari permukaan logam daripada berkas cahaya yang lebih lemah. Dengan demikian, semakin kuat cahayanya, semakin besar jumlah elektron yang dipancarkan oleh logam target; semakin tinggi frekuensi cahaya, semakin besar energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan.

Contoh 7.3

Fungsi kerja logam sesium adalah 3,42 x 10⁻¹⁹ J. (a) Hitung frekuensi minimum cahaya yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari logam. (b) Hitung energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan jika cahaya frekuensi 1,00 x 10¹⁵ s⁻¹ digunakan untuk menyinari logam.

Strategi

(a) Hubungan antara fungsi kerja dan frekuensi cahaya diberikan oleh Persamaan (7.4). Frekuensi minimum cahaya yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron adalah titik di mana energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan adalah nol. (b) Mengetahui kedua fungsi kerja dan frekuensi cahaya, kita dapat memecahkan untuk energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan.

Penyelesaian

(a) Pengaturan EK = 0 dalam Persamaan (7.4), kita menuliskan

h𝛎 = W

sehingga

(b) Menyusun ulang persamaan 7.4 memberikan

EK = h𝛎 - W
     = (6,63 x 10⁻³⁴ J / s)(1,00 x 10¹⁵ s⁻¹) - 3,42 x 10⁻¹⁹ J
     = 3,21 x 10⁻¹⁹ J

Periksa

Energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan (3,21 x 10⁻¹⁹ J) lebih kecil dari energi foton (6,63 x 10⁻¹⁹ J). Karena itu, jawabannya masuk akal.

Latihan

Fungsi kerja logam titanium adalah 6,93 x 10⁻¹⁹ J. Hitung energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan jika cahaya frekuensi 2,50 x 10¹⁵ s⁻¹ digunakan untuk menyinari logam.

Teori cahaya Einstein menimbulkan dilema bagi para ilmuwan. Di satu sisi, ini menjelaskan efek fotolistrik dengan memuaskan. Di sisi lain, teori partikel cahaya tidak konsisten dengan perilaku gelombang cahaya yang diketahui. Satu-satunya cara untuk menyelesaikan dilema adalah dengan menerima gagasan bahwa cahaya memiliki sifat mirip partikel dan gelombang. Bergantung pada eksperimen, cahaya berperilaku baik sebagai gelombang atau sebagai aliran partikel. Konsep ini, yang disebut dualitas gelombang partikel, benar-benar asing dengan cara para fisikawan memikirkan materi dan radiasi, dan butuh waktu lama bagi mereka untuk menerimanya. Kita akan melihat dalam Bagian 7.4 bahwa sifat ganda (partikel dan gelombang) tidak unik hanya untuk cahaya tetapi merupakan karakteristik dari semua materi, termasuk elektron.

Ulasan Konsep

Permukaan logam yang bersih diiradiasi dengan cahaya tiga panjang gelombang yang berbeda 𝝀₁, 𝝀₂, dan 𝝀₃. Energi kinetik dari elektron yang dikeluarkan adalah sebagai berikut: 𝝀₁: 2,9 x 10⁻²⁰ J; 𝝀₂: sekitar nol; 𝝀₃: 4,2 x 10⁻¹⁹ J. Cahaya mana yang memiliki panjang gelombang terpendek dan yang memiliki panjang gelombang paling panjang?

7.1 Dari Fisika Klasik Sampai Teori Kuantum

Upaya yang dilakukan oleh fisikawan pada awal abad kesembilan belas untuk memahami atom dan molekul hanya berhasil dengan pemahaman yang sangat terbatas. Dengan mengasumsikan bahwa molekul berperilaku seperti bola pantulan, fisikawan dapat memprediksi dan menjelaskan beberapa fenomena makroskopis, seperti tekanan yang diberikan oleh gas. Namun, model ini tidak menjelaskan stabilitas molekul; artinya, model itu tidak bisa menjelaskan kekuatan yang menyatukan atom-atom. Butuh waktu lama untuk menyadari — dan bahkan lebih lama untuk menerima — bahwa sifat-sifat atom dan molekul tidak diatur oleh hukum fisika klasik. Sifat atom dan molekul tidak sama dengan sifat objek materi yang lebih besar.

Era baru dalam fisika dimulai pada tahun 1900 dengan lahirnya seorang fisikawan muda asal Jerman bernama Max Planck. Ketika menganalisis data tentang radiasi yang dipancarkan oleh padatan yang dipanaskan pada berbagai suhu, Planck menemukan bahwa atom dan molekul hanya memancarkan energi dalam jumlah diskrit atau kuanta tertentu. Fisikawan selalu berasumsi bahwa energi adalah kontinu dan bahwa sejumlah energi dapat dilepaskan dalam proses radiasi. Teori kuantum Planck membalikkan teori fisika klasik. Memang, banyak penelitian yang terjadi kemudian mengubah konsep kita tentang alam.

Sifat Gelombang

Untuk memahami teori kuantum Planck, pertama-tama kita harus mengetahui sesuatu tentang sifat gelombang. Gelombang dapat dianggap sebagai gangguan bergetar dimana energi ditransmisikan. Sifat dasar gelombang diilustrasikan dengan jenis gelombang yang umum yaitu gelombang air. (Gambar 7.1). Variasi puncak dan palung yang teratur memungkinkan kita untuk merasakan penyebaran gelombang.

Gambar 7.1 Gelombang Air Laut

Gelombang dicirikan oleh panjang dan tingginya dan oleh jumlah gelombang yang melewati titik tertentu dalam satu detik (Gambar 7.2). Panjang gelombang 𝛌 (lambda) adalah jarak antara titik-titik identik pada gelombang yang berurutan. Frekuensi 𝛎 (nu) adalah jumlah gelombang yang melewati titik tertentu dalam 1 detik. Amplitudo adalah jarak vertikal dari garis tengah gelombang ke puncak atau palung.

Gambar 7.2 (a) Panjang gelombang dan amplitudo. (b) Dua gelombang memiliki panjang gelombang dan frekuensi yang berbeda. Panjang gelombang dari gelombang atas adalah tiga kali lipat dari gelombang yang dibawah, tetapi frekuensinya hanya sepertiga dari gelombang dibawah. Kedua gelombang memiliki kecepatan dan amplitudo yang sama.

Sifat penting lainnya dari gelombang adalah kecepatannya, yang tergantung pada jenis gelombang dan sifat medium yang dilalui gelombang (misalnya, udara, air, atau ruang hampa udara). Kecepatan (𝛖) gelombang adalah hasil kali dari panjang gelombang dan frekuensinya:

 𝛖 = 𝛌𝛎    (7.1)

"Sensibilitas" yang melekat dari Persamaan (7.1) menjadi jelas jika kita menganalisis dimensi fisik yang terlibat dalam tiga istilah. Panjang gelombang (𝛌) menyatakan panjang dari suatu gelombang, atau jarak dibagi gelombang. Frekuensi (𝛎) menunjukkan jumlah gelombang ini yang melewati titik referensi per satuan waktu, atau gelombang dibagi waktu. Dengan demikian, hasil kali dari istilah-istilah ini menghasilkan dimensi jarak dibagi waktu, yaitu kecepatan:

Panjang gelombang biasanya dinyatakan dalam satuan meter, sentimeter, atau nanometer, dan frekuensi diukur dalam hertz (Hz), di mana

1 Hz = 1 siklus/s

Kata "siklus" mungkin ditinggalkan dan frekuensi dinyatakan sebagai, misalnya, 25/s atau 25 s⁻¹ (dibaca sebagai "25 per detik").

Radiasi elektromagnetik

Ada banyak jenis gelombang, seperti gelombang air, gelombang suara, dan gelombang cahaya. Pada tahun 1873 James Clerk Maxwell mengusulkan bahwa cahaya tampak terdiri dari gelombang elektromagnetik. Menurut teori Maxwell, gelombang elektromagnetik memiliki komponen medan listrik dan komponen medan magnet. Kedua komponen ini memiliki panjang gelombang dan frekuensi yang sama, dan karenanya memiliki kecepatan yang sama, tetapi keduanya bergerak dalam bidang yang saling tegak lurus (Gambar 7.3). Signifikansi teori Maxwell adalah bahwa teori ini memberikan deskripsi matematis tentang perilaku umum cahaya. Secara khusus, modelnya secara akurat menggambarkan bagaimana energi dalam bentuk radiasi dapat disebarkan melalui ruang sebagai medan listrik dan medan magnet yang bergetar. Radiasi elektromagnetik adalah emisi dan transmisi energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik bergerak dengan kecepatan 3,00 x 10⁸ meter per detik (dibulatkan), atau 186.000 mil per detik dalam ruang hampa udara. Kecepatan ini berbeda dari satu media ke media lain, tetapi tidak cukup untuk mengubah perhitungan kita secara signifikan. Dengan konvensi (perjanjian), kita menggunakan simbol c untuk kecepatan gelombang elektromagnetik, atau lebih sering disebut, kecepatan cahaya. Panjang gelombang elektromagnetik biasanya diberikan dalam nanometer (nm).

Gambar 7.3 Komponen medan listrik dan medan magnet dari gelombang elektromagnetik. Kedua komponen ini memiliki panjang gelombang, frekuensi, dan amplitudo yang sama, tetapi mereka bergetar dalam dua bidang yang saling tegak lurus.

Contoh 7.1 

Panjang gelombang lampu hijau dari sinyal lalu lintas dipusatkan pada 522 nm. Berapa frekuensi radiasi ini?

Strategi

Diketahui panjang gelombang dari gelombang elektromagnetik dan diminta untuk menghitung frekuensinya. Menyusun ulang Persamaan (7.1) dan mengganti 𝛖 dengan c (kecepatan cahaya) memberikan

𝛖  = c / 𝛌

Penyelesian

Karena kecepatan cahaya diberikan dalam meter per detik,pertama akan lebih mudah untuk mengkonversi panjang gelombang menjadi satuan meter. Ingat bahwa 1 nm = 1 x 10⁻⁹ m (lihat Tabel 1.3). 

Kita dapat menuliskan

Kita dapat mengganti panjang gelombang 5,22 x 10⁻⁷ m dan kecepatan cahaya 3,00 x 10⁸ m/s, sehingga frekuensinya adalah

Periksa

Jawabannya menunjukkan bahwa 5,75 x 10¹⁴ gelombang melewati titik tetap setiap detik. Frekuensi yang sangat tinggi ini sesuai dengan kecepatan cahaya yang sangat tinggi.

Latihan

Berapakah panjang gelombang (dalam meter) dari gelombang elektromagnetik yang frekuensinya adalah 3,64 x 10⁷ Hz?

Gambar 7.4 menunjukkan berbagai jenis radiasi elektromagnetik, yang berbeda antara satu sama lain dalam panjang gelombang dan frekuensi. Gelombang radio yang terpanjang dipancarkan oleh antena besar, seperti yang digunakan oleh stasiun penyiaran. Gelombang cahaya yang lebih pendek dan cahaya tampak dihasilkan oleh gerakan elektron dalam atom dan molekul. Gelombang terpendek, yang juga memiliki frekuensi tertinggi, dikaitkan dengan sinar 𝛄 (gamma), yang dihasilkan dari perubahan dalam inti atom (lihat Bab 2). Seperti yang akan kita pelajari selanjutnya, semakin tinggi frekuensinya, semakin besar energi radiasinya. Jadi, radiasi ultraviolet, sinar X, dan sinar 𝛄 adalah radiasi energi tinggi.

Gambar 7.4 (a) Jenis radiasi elektromagnetik. Sinar gamma memiliki panjang gelombang terpendek dan frekuensi tertinggi; gelombang radio memiliki panjang gelombang terpanjang dan frekuensi terendah. Setiap jenis radiasi tersebar pada rentang panjang gelombang (dan frekuensi) tertentu. (b) Cahaya tampak berkisar dari panjang gelombang 400 nm (ungu) hingga 700 nm (merah).


Teori Kuantum Planck

Ketika padatan dipanaskan, materi akan memancarkan radiasi elektromagnetik pada berbagai panjang gelombang. Cahaya merah kusam dari pemanas listrik dan cahaya putih terang dari bola lampu tungsten adalah contoh radiasi dari padatan yang dipanaskan.

Pengukuran yang dilakukan pada akhir abad ke-19 menunjukkan bahwa jumlah energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu objek pada suhu tertentu tergantung pada panjang gelombangnya. Upaya untuk menjelaskan ketergantungan ini dalam hal teori gelombang yang mapan dan hukum termodinamika hanya sebagian yang berhasil. Satu teori menjelaskan ketergantungan panjang gelombang pendek tetapi gagal menjelaskan panjang gelombang yang lebih panjang. Teori lain menjelaskan panjang gelombang lebih panjang tetapi gagal untuk panjang gelombang pendek. Tampaknya ada sesuatu yang mendasar yang hilang dari hukum fisika klasik.

Planck memecahkan masalah dengan asumsi yang menyimpang secara drastis dari konsep yang diterima waktu itu. Fisika klasik mengasumsikan bahwa atom dan molekul dapat memancarkan (atau menyerap) jumlah energi radiasi yang berubah-ubah. Planck mengatakan bahwa atom dan molekul dapat memancarkan (atau menyerap) energi hanya dalam jumlah diskrit, seperti paket kecil atau berkas. Planck memberi nama kuantum untuk jumlah energi terkecil yang dapat dipancarkan (atau diserap) dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Energi E dari satu kuantum energi diberikan oleh persamaan

E = h 𝛎  (7.2)

di mana h disebut konstanta Planck dan n adalah frekuensi radiasi. Nilai konstanta Planck adalah 6,63 x 10⁻³⁴ J/s. Karena 𝛎 = c /𝛌 , Persamaan (7.2) juga dapat dinyatakan dengan persamaan

 (7.3)

Menurut teori kuantum, energi selalu dipancarkan dalam kelipatan integral h𝛎; misalnya h𝛎, 2h𝛎, 3h𝛎,. . . , tetapi tidak pernah pecahan, misalnya 1,67 h𝛎 atau 4,98 h𝛎. Pada saat Planck mempresentasikan teorinya, ia tidak dapat menjelaskan mengapa energi harus ditetapkan atau diukur dengan cara ini. Dimulai dengan hipotesis ini, bagaimanapun, ia tidak memiliki masalah mengkorelasikan data eksperimen untuk emisi padatan pada seluruh rentang panjang gelombang; semua data mendukung teori kuantum.

Gagasan bahwa energi harus dikuantifikasi atau "dibundel" mungkin tampak aneh, tetapi konsep kuantisasi memiliki banyak analogi. Misalnya, muatan listrik juga diukur; hanya ada kelipatan bilangan bulat e, muatan satu elektron. Materi itu sendiri dikuantisasi, karena jumlah elektron, proton, dan neutron dan jumlah atom dalam sampel materi juga harus bilangan bulat. Sistem uang kita didasarkan pada "kuantum" nilai yang disebut rupiah. Bahkan proses dalam sistem kehidupan melibatkan fenomena terkuantisasi. Telur-telur yang dihasilkan oleh ayam dikuantisasi, dan kucing yang hamil melahirkan sejumlah anak kucing, bukan setengah atau tiga perempat anak kucing.

Ulasan Konsep

Mengapa radiasi hanya di wilayah UV bukan wilayah cahaya tampak atau inframerah yang berguna untuk berjemur?

7. Teori Kuantum dan Struktur Atom

Konsep Penting

• Teori fisika klasik sampai teori kuantum untuk menjelaskan sifat-sifat gelombang dan radiasi elektromagnetik serta formulasi teori kuantum Planck. (7.1)
• Efek fotolistrik adalah langkah untuk pengembangan teori kuantum. Untuk menjelaskan hasil pengamatan eksperimental, Einstein menyarankan bahwa cahaya berperilaku seperti sekumpulan partikel yang disebut foton. (7.2)
• Teori Bohr untuk menjelaskan spektrum emisi atom hidrogen. Bohr mendalilkan bahwa energi elektron dalam atom dikuantisasi dan ditransisi dari tingkat yang lebih tinggi ke yang lebih rendah. Elektron berperan atas garis emisi. (7.3) 
• Beberapa misteri teori Bohr dijelaskan oleh de Broglie yang menyarankan bahwa elektron dapat berperilaku seperti gelombang. (7.4)
• Teori kuantum mengarah ke era baru dalam fisika yang disebut mekanika kuantum. Prinsip ketidakpastian Heisenberg menetapkan batas untuk pengukuran sistem mekanika kuantum. Persamaan gelombang Schrödinger menggambarkan perilaku elektron dalam atom dan molekul. (7.5)
• Empat bilangan kuantum untuk menggambarkan elektron dalam atom dan karakteristik orbital tempat elektron berada. (7.6 dan 7.7)
• Konfigurasi elektron memungkinkan untuk melacak distribusi elektron dalam atom dan memahami sifat magnetiknya. (7.8)
• Aturan dalam menulis konfigurasi elektron untuk seluruh unsur dalam tabel periodik. Pengelompokkan unsur-unsur dalam tabel periodik menurut konfigurasi elektron valensinya. (7.9)

Teori kuantum memungkinkan untuk memprediksi dan memahami peran penting yang dimainkan elektron dalam kimia. Di satu sisi, mempelajari atom sama dengan mengajukan pertanyaan berikut:

1. Berapa banyak elektron yang ada dalam atom tertentu?

2. Energi apa yang dimiliki masing-masing elektron?

3. Di mana di dalam atom dapat ditemukan elektron?

Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini memiliki hubungan langsung dengan sifat semua zat dalam reaksi kimia, dan kisah pencarian jawabannya memberikan latar belakang yang menarik untuk mempelajari teori kuantum dan struktur atom.

Tugas 6

1. Sampel gas nitrogen mengembang dalam wadah dari volume 1,6 L menjadi 5,4 L pada suhu tetap. Hitung kerja yang dilakukan dalam joule jika gas mengembang 
(a) terhadap ruang hampa, 
(b) terhadap tekanan tetap 0,80 atm, 
(c) terhadap tekanan tetap 3,7 atm.

2. Suatu gas mengembang dan melakukan kerja P - V pada lingkungan sama dengan 325 J. Pada saat yang sama, ia menyerap kalor 127 J dari lingkungan. Hitung perubahan energi gas!

3. Hitung kerja yang dilakukan ketika 50,0 g timah larut dalam asam berlebih pada 1,00 atm dan 25°C:

Sn(s) + 2H⁺(aq) → Sn²⁺(aq) + H₂(g)

Asumsikan gas berperilaku ideal.

4. Fotosintesis menghasilkan glukosa (C₆H₁₂O ₆) dan oksigen dari karbon dioksida dan air:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + O₂

(a)    Bagaimana kita menentukan nilai ΔH°_rx eksperimental untuk reaksi ini?

(b)   Radiasi matahari menghasilkan sekitar 7,0 x 10¹⁴ kg glukosa per tahun di Bumi. Berapakah perubahan ΔH yang sesuai?

5. Fermentasi adalah proses kimia yang kompleks dalam pengolahan anggur dimana glukosa diubah menjadi etanol dan karbon dioksida:

C₆H₁₂O₆  → 2C₂H₅OH + 2CO₂

Hitung perubahan entalpi standar untuk proses fermentasi ini!

6. Aktivitas metabolisme dalam tubuh manusia melepaskan sekitar 1,0 x 10⁴ kJ kalor per hari. Dengan menganggap tubuh adalah 50 kg air, berapa suhu tubuh yang naik jika sebagai sistem yang terisolasi? Berapa banyak air yang harus dilepaskan tubuh (karena keringat untuk menjaga suhu tubuh normal 98,6°F). Jelaskan hasil jawabanmu! Kalor penguapan air 2,41 kJ/g.

JAWABAN

Latihan 6

Definisi
1.Definisikan istilah-istilah berikut: 
a) sistem, 
b) lingkungan, 
c) sistem terbuka, 
d) sistem tertutup, 
e) sistem terisolasi, 
f) energi termal, 
g) energi kimia, 
h) energi potensial, 
i) energi kinetik, 
j) hukum kekekalan energi!

2. 
a. Definisikan istilah kalor! 
b. Apa perbedaan kalor dan energi panas? 
c. Dalam kondisi bagaimana kalor dipindahkan dari satu sistem ke sistem yang lain?

3. Apa satuan untuk energi yang umum digunakan dalam kimia?

4. Sebuah truk awalnya bepergian pada kecepatan 60 km per jam tiba-tiba berhenti di lampu lalu lintas. Apakah perubahan ini melanggar hukum kekekalan energi? Jelaskan!

5. Berikut ini adalah berbagai bentuk energi: kimia, panas, cahaya, mekanik, kinetik dan listrik. Sarankan cara interkonversi bentuk-bentuk energi tersebut!

6. Jelaskan interkonversi dari bentuk energi yang terjadi dalam proses ini: 
a. Anda melempar bola kasti ke udara dan menangkapnya kembali.
b. Anda menyalakan senter. 
c. Anda naik lift ke atas bukit dan kemudian bermain ski menuruninya. 
d. Anda menyalakan korek api dan membiarkannya terbakar.

Perubahan Energi dalam Reaksi Kimia
7.  Definisikan istilah-istilah berikut: 
a. termokimia 
b. proses eksotermis 
c. proses endotermis

8. Stoikiometri didasarkan pada hukum kekekalan massa. Pada hukum apakah termokimia didasarkan?

9. Jelaskan dua proses eksotermis dan dua proses endotermis!

10. Reaksi dekomposisi biasanya endotermis, sedangkan reaksi kombinasi biasanya eksotermis. Berikan penjelasan kualitatif untuk kecenderungan ini!

Hukum pertama termodinamika
11. 
a. Pada hukum apa hukum pertama termodinamika didasarkan? 
b. Jelaskan konvensi tanda dalam persamaan ΔE = q + w!

12. 
a. Jelaskan apa yang dimaksud dengan fungsi keadaan! 
b. Berikan dua contoh dari fungsi keadaan dan dua yang bukan!

13. Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu. Lakukan analisis-hukum pertama dari proses ini. Sebuah sampel gas ideal diperbolehkan untuk ekspansi pada suhu tetap terhadap tekanan atmosfer. 
a. Apakah gas melakukan kerja pada lingkungan? 
b. Apakah ada pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan? Jika demikian, ke arah mana? 
c.Berapakah ΔE untuk gas pada proses ini?

14. Perhatikan reaksi berikut: 
Pada tekanan tetap, yang manakah dari reaksi tersebut melakukan kerja 
a. oleh sistem pada lingkungan? 
b. oleh lingkungan pada sistem? 
c. yang mana dari reaksi-reaski tersebut tidak ada melakukan kerja?

Kata Kunci 6

Energi

Energi kimia

Energi kisi (U)

Energi potensial

Energi radiasi

Energi termal

Entalpi

Entalpi pelarutan (ΔH_lar)

Entalpi reaksi (ΔH^o_rx)

Entalpi reaksi standar (ΔH^o_rx)

Entalpi pembentukan Standar (ΔH^o_f)

Fungsi keadaan

Hukum Hess

Hukum kekekalan energi

Hukum pertama termodinamika

Kalor

Kalor hidrasi (ΔH_hidr)

Kalor jenis (s)

Kalor pengenceran

Kalorimetri

Kapasitas kalor

Keadaan sistem

Keadaan standar

Kerja

Lingkungan

Persamaan termokimia

Proses eksotermis

Proses endotermis

Sistem

Sistem terbuka

Sistem terisolasi

Sistem tertutup

Termodinamika

Termokimia

Ringkasan Pengetahuan Faktual Dan Konseptual 6

1. Energi adalah kapasitas untuk melakukan kerja. Ada banyak bentuk energi dan semuanya dapat saling menukar. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa jumlah total energi di alam semesta adalah tetap.
2. Sebuah proses yang melepaskan kalor ke lingkungan adalah eksotermis; sebuah proses yang menyerap kalor dari lingkungan adalah endotermis.
3. Keadaan sistem didefinisikan oleh sifat seperti komposisi, volume, suhu, dan tekanan. Sifat-sifat ini disebut fungsi keadaan.
4. Perubahan fungsi keadaan untuk sistem hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir dari sistem, dan bukan pada jalan dimana perubahan dicapai. Energi adalah fungsi keadaan; kerja dan kalor bukan.
5. Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya, tetapi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan (hukum pertama termodinamika). Dalam kimia kita menaruh perhatian terutama pada energi termal, energi listrik, dan energi mekanik, yang biasanya berhubungan dengan kerja tekanan-volume.
6. Entalpi adalah fungsi keadaan. Perubahan entalpi (ΔH) adalah sama dengan ΔE + PΔV untuk proses tekanan tetap.
7. Perubahan entalpi (ΔH, biasanya diberikan dalam kilojoule) adalah ukuran dari kalor reaksi (atau proses lain) pada tekanan tetap.
8. Volume tetap dan tekanan tetap kalorimeter digunakan untuk mengukur perubahan kalor yang terjadi pada proses fisika dan kimia.
9. Hukum Hess menyatakan bahwa perubahan entalpi keseluruhan reaksi adalah sama dengan jumlah perubahan entalpi untuk langkah-langkah individu dalam keseluruhan reaksi.
10. Entalpi standar reaksi dapat dihitung dari entalpi standar pembentukan reaktan dan produk.
11. Kalor dari larutan senyawa ionik di dalam air adalah jumlah energi kisi senyawa dan kalor hidrasi. Besaran relatif dari dua kuantitas menentukan apakah proses pelarutan adalah endotermis atau eksotermis. Kalor pengenceran adalah kalor yang diserap atau dilepas bila larutan diencerkan

Rumus Penting 6

ΔE = q + w  merupakan pernyataan matematis dari hukum pertama termodinamika.

w = -PΔV untuk menghitung kerja yang dilakukan dalam ekspansi gas atau kompresi gas

H = E + PV merupakan definisi matematis entalpi

ΔH = ΔE + PΔV untuk menghitung perubahan entalpi (atau energi) untuk proses tekanan tetap.

C = ms merupakan definisi matematis kapasitas kalor

q = msΔt untuk menghitung perubahan kalor dalam hal kalor jenis.

q = CΔT untuk menghitung perubahan kalor dalam hal kapasitas kalor.

ΔH^o_rx = ΣnΔH^o_f(produk) – ΣmΔH^o_f(reaktan) untuk menghitung perubahan entalpi standar reaksi.

ΔH_lar = U + ΔH_hidr  untuk menghitng perubahan entalpi larutan kontribusi dari energi kisi dan hidrasi.

Bagaimana Kumbang Pertahankan Dirinya?

Teknik bertahan hidup dari serangga dan binatang kecil di lingkungan yang sangat kompetitif mengambil banyak bentuk. Misalnya, bunglon telah mengembangkan kemampuan untuk mengubah warna untuk mencocokkan lingkungan mereka dan kupu-kupu Limenitis telah berkembang menjadi bentuk yang meniru racun dan menyenangkan-mencicipi kupu-kupu raja (Danaus). Mekanisme pertahanan kurang pasif digunakan oleh kumbang bombardier (Brachinus), yang mengusir predator dengan "semprotan kimia."

Kumbang bombardier atau pengebom memiliki sepasang kelenjar di ujung abdomennya. Setiap kelenjar terdiri dari dua kompartemen. Kompartemen bagian dalam berisi larutan hidroquinon dan hidrogen peroksida, dan kompartemen luar memegang campuran enzim. (Enzim adalah molekul biologis yang dapat mempercepat reaksi.) Ketika terancam, kumbang meremas beberapa cairan dari kompartemen bagian dalam ke dalam kompartemen luar, di mana, di hadapan enzim, reaksi eksoterm terjadi:

(a) C₆H₄(OH)₂(aq) + H₂O₂(aq) → C₆H₄O₂(aq) + 2H₂O(l)

Untuk memperkirakan kalor reaksi, mari kita perhatikan langkah-langkah berikut:(b) C₆H₄(OH)₂(aq) →  C₆H₄O₂(aq) + H2(g) ΔH^o = 177 kJ/mol
(c) H₂O₂(aq) → H₂O(l) + ¹/₂O₂(g)                 ΔH^o = -94,6 kJ/mol
(d) H₂(g) + ¹/₂O₂(g) → H₂O(l)                      ΔH^o = -286 kJ/mol

Mengingat hukum Hess, kita menemukan bahwa kalor reaksi untuk (a) merupakan jumlah dari (b), (c), dan (d)

ΔH^o_a = ΔH^o_b + ΔH^o_c + ΔH^o_d
         = (177 - 94,6 - 286) kJ/mol
         = -204 kJ/mol

Jumlah besar kalor yang dihasilkan cukup untuk membawa campuran ke titik didihnya. Dengan memutar ujung perutnya, kumbang dapat dengan cepat melepaskan uap dalam bentuk kabut halus menuju predator tanpa curiga. Selain efek termal, kuinon juga bertindak sebagai penolak serangga dan hewan lainnya. Seekor kumbang pengebom membawa cukup reagen untuk menghasilkan 20 sampai 30 pembuangan secara berurutan, masing-masing dengan ledakan yang terdengar.

Nilai Energi Pembakaran Makanan dan Pembakaran Lainnya

Pembakaran Mmakanan atau bahan makanan adalah sumber energi tubuh kita. Makanan yang kita makan dipecah, atau dimetabolisme, secara bertahap oleh sekelompok molekul biologis yang kompleks yang disebut enzim. Sebagian besar energi yang dilepaskan pada setiap tahap ditangkap untuk mempertahankan fungsi dan pertumbuhan sel. Salah satu aspek yang menarik dari metabolisme adalah bahwa perubahan keseluruhan energi adalah sama dengan pembakarannya. Misalnya, total perubahan entalpi untuk konversi glukosa (C₆H₁₂O₆) menjadi karbon dioksida dan air adalah sama entahkah kita membakar zat dengan oksigen atau mencernanya dalam tubuh kita:

C₆H₁₂O₆(s) + 6O₂(g) → 6CO₂(g) + 6H₂O(l)    ΔH = -2801 kJ/mol

Perbedaan penting antara metabolisme dan pembakaran adalah bahwa yang terakhir biasanya satu langkah, proses suhu tinggi. Akibatnya, banyak energi yang dilepaskan oleh pembakaran hilang ke lingkungan.

Berbagai makanan memiliki komposisi yang berbeda dan isi energinya juga berbeda. Kandungan energi dari makanan umumnya diukur dalam kalori. Kalori (kal) adalah satuan non-SI energi yang setara dengan 4,184 J:

1 kal = 4,184J

Dalam konteks gizi, namun, kalori yang kita bicarakan (kadang-kadang ditulis "C besar") sebenarnya sama dengan kilokalori; itu adalah,

1 Cal = 1kkal = 1000 kal = 4184J

Kalorimeter bom yang dijelaskan dalam Bagian 6.5 cocok untuk mengukur kandungan energi, atau "nilai bahan bakar," makanan. nilai bahan bakar hanya entalpi pembakaran (lihat tabel). Untuk dianalisis dalam kalorimeter bom, makanan harus dikeringkan terlebih dulu karena sebagian besar makanan mengandung cukup banyak air. Karena komposisi makanan tertentu sering tidak diketahui, Nilai bahan bakar dinyatakan dalam kJ/g daripada kJ/mol

Membuat Salju

Banyak fenomena dalam kehidupan sehari-hari dapat dijelaskan dengan hukum pertama termodinamika. Di sini kita akan membahas dua contoh menarik bagi pecinta alam.

Membuat Salju
Jika Anda adalah seorang pemain ski, Anda mungkin telah meluncur di atas salju buatan. Bagaimana hal ini dibuat dalam jumlah yang cukup besar untuk memenuhi kebutuhan pemain ski pada hari-hari tidak bersalju? Rahasia snowmaking dalam persamaan ΔE = q + w. Sebuah mesin snowmaking berisi campuran udara terkompresi dan uap air pada sekitar 20 atm. Karena perbedaan besar dalam tekanan antara tangki dan suasana luar, ketika campuran disemprotkan ke dalam atmosfer mengembang begitu cepat sehingga, sebagai pendekatan yang baik, tidak ada pertukaran panas terjadi antara sistem (udara dan air) dan lingkungan sekitarnya; yaitu, q = 0. (Dalam termodinamika, proses seperti ini disebut proses adiabatik.) Dengan demikian, kita menulis

ΔE = q + w = w

Karena sistem tidak bekerja pada lingkungan, w adalah kuantitas negatif, dan ada penurunan energi sistem.

Energi kinetik adalah bagian dari total energi dari sistem. Dalam Bagian 5.7 kita melihat bahwa energi kinetik rata-rata gas berbanding lurus dengan suhu mutlak [Persamaan (5.15)]. Ini mengikuti, karena itu, bahwa perubahan energi ΔE diberikan oleh

ΔE = C ΔT

di mana C adalah konstanta proporsionalitas. Karena ΔE negatif, ΔT juga harus negatif, dan inilah efek pendinginan (atau penurunan energi kinetik dari molekul air) yang bertanggung jawab untuk pembentukan salju. Meskipun kita hanya perlu air untuk membentuk salju, adanya udara, yang juga mendinginkan ekspansi, membantu menurunkan suhu uap air.

Gambar 13. Mesin snowmaking sedang beroperasi.