Sebuah Petunjuk dari Kuantisasi Energi
Model kita untuk kalor jenis molar telah didasarkan sejauh gagasan klasik murni. Ini memprediksi nilai kalor jenis untuk gas diatomik yang menurut Gambar 21.7, hanya sesuai dengan pengukuran eksperimental yang dibuat pada suhu tinggi. Untuk menjelaskan mengapa nilai ini hanya berlaku pada suhu tinggi dan mengapa dataran tinggi pada Gambar 21.7 ada, kita harus melampaui fisika klasik dan memperkenalkan beberapa fisika kuantum ke dalam model. Dalam Bab 18, kita bahas kuantisasi frekuensi untuk senar yang bergetar dan kolom udara, hanya frekuensi tertentu dari gelombang berdiri yang bisa eksis. Itu adalah hasil alami setiap kali gelombang tunduk pada kondisi batas.
Fisika Quantum (Bab 40 sampai 43) menunjukkan bahwa atom dan molekul dapat dijelaskan oleh fisika gelombang dalam kondisi batas. Akibatnya, gelombang ini telah dikuantisasi frekuensi. Selanjutnya, dalam fisika kuantum, energi dari sebuah sistem adalah sebanding dengan frekuensi gelombang yang mewakili sistem. Oleh karena itu, energi dari atom dan molekul dikuantisasi.
Untuk molekul, fisika kuantum mengatakan kepada kita bahwa energi rotasi dan getaran dikuantisasi. Gambar 21.8 menunjukkan diagram tingkat energi untuk rotasi dan getaran keadaan kuantum dari sebuah molekul diatomik. Keadaan terendah yang diperbolehkan disebut ground state (keadaan dasar). Perhatikan bahwa keadaan getaran yang dipisahkan oleh celah energi yang lebih besar daripada keadaan rotasi.
Pada suhu rendah, perolehan energi sebuah molekul dalam tumbukan dengan tetangganya umumnya tidak cukup besar untuk meningkatkan ke keadaan tereksitasi pertama baik rotasi atau getaran. Oleh karena itu, meskipun rotasi dan getaran yang diizinkan menurut fisika klasik, mereka tidak terjadi pada realitanya saat suhu rendah. Semua molekul dalam keadaan dasar untuk rotasi dan getaran. Satu-satunya kontribusi energi rata-rata molekul adalah dari gerak translasi, dan kalor jenis yang diprediksi oleh Persamaan 21,14.
Ketika suhu dinaikkan, energi rata-rata dari molekul meningkat. Dalam beberapa tumbukan, sebuah molekul mungkin memiliki energi yang cukup untuk ditransfer dari molekul lain untuk merangsang keadaan rotasi pertama. Ketika suhu dinaikkan lebih lanjut, molekul yang lebih dapat bersemangat untuk keadaan ini. Hasilnya adalah bahwa rotasi mulai berkontribusi pada energi internal, dan kalor jenis molar naik. Pada sekitar suhu kamar pada Gambar 21.7, dataran tinggi kedua telah tercapai dan gerak rotasi memberikan kontribusi penuh untuk kalor jenis molar. Kalor jenis molar sekarang sama dengan nilai yang diprediksi oleh Persamaan 21.21.
Tidak ada kontribusi pada suhu kamar dari getaran karena molekul masih dalam keadaan getaran dasar. Suhu harus dinaikkan lebih jauh untuk merangsang keadaan getaran pertama, yang terjadi pada Gambar 21.7 antara 1.000 K dan 10.000 K. Pada 10.000 K di sisi kanan gambar, getaran berkontribusi penuh terhadap energi internal dan kalor jenis molar memiliki nilai yang diprediksi oleh Persamaan 21.22.
Prediksi dari model ini adalah mendukung teorema ekuipartisi dari energi. Selain itu, dimasukkan dalam model kuantisasi energi dari fisika kuantum memungkinkan pemahaman penuh dari Gambar 21.7 (Serway, 2010:611).
Baca Juga tentang : Equipartisi Energi
//Anda baru saja membaca artikel tentang SEBUAH PETUNJUK DARI KUANTISASI ENERGI, jika ada yang keliru, kurang jelas, kritik dan saran mohon isi dikomentar.//
Tinggalkan komentar