Sains notesnota, bab 9

Haba

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), pageshalaman 204–221

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh membandingkan perbezaan antara haba dengan suhu (9.1.1)
Saya boleh menerangkan haba mengalir dari kawasan panas ke kawasan sejuk melalui konduksi, perolakan dan sinaran sehingga mencapai keseimbangan terma (9.2.1)
Saya boleh menerangkan dan berkomunikasi tentang pengaliran haba dalam fenomena alam seperti bayu laut, bayu darat dan pemanasan Bumi oleh Matahari (9.2.2)
Saya boleh berkomunikasi mengenai konduktor haba dan penebat haba serta kegunaannya dalam kehidupan harian (9.2.3)
Saya boleh menerangkan proses haba menyebabkan pengembangan dan pengecutan pepejal, cecair dan gas (9.3.1)
Saya boleh berkomunikasi tentang pelbagai kegunaan pengembangan dan pengecutan jirim dalam kehidupan harian (9.3.2)
Saya boleh menunjukkan cara objek yang gelap dan kusam menyerap haba dengan lebih baik daripada objek putih dan berkilat (9.4.1)
Saya boleh menunjukkan cara objek yang gelap dan kusam membebaskan haba dengan lebih baik daripada objek putih dan berkilat (9.4.2)
Saya boleh mengkonsepsikan dan mereka bentuk sesuatu menggunakan konsep haba dalam kehidupan harian (9.4.3)

9.1Hubung kait suhu dengan haba

Haba ialah satu bentuk tenaga. Haba mengalir dari kawasan yang bersuhu tinggi ke kawasan yang bersuhu rendah.
Suhu ialah sukatan darjah kepanasan atau kesejukan suatu objek. Suhu diukur dengan termometer.

Haba diperoleh daripada sumber seperti Matahari, peralatan elektrik dan pembakaran bahan api. Suhu meningkat dalam persekitaran yang panas dan menurun dalam persekitaran yang sejuk. Haba dan suhu saling berkaitan, tetapi kedua-duanya tidak sama.

	Haba	Suhu
Maksud	Suatu bentuk tenaga	Darjah kepanasan atau kesejukan objek
Unit	Joule (J)	Darjah Celsius (°C) atau kelvin (K)
Bergantung pada	Jenis bahan, kuantiti (jisim) bahan dan suhu	Darjah pergerakan zarah-zarah di dalam suatu bahan

Suhu sama, haba berbeza

Air 100 mL dan air 200 mL dididihkan dalam dua bikar. Kedua-duanya mendidih pada suhu yang sama (100 °C), tetapi 200 mL air menyerap lebih banyak haba dan mengambil masa yang lebih lama untuk mendidih. Semakin kecil jisim air, semakin singkat masa yang diambil untuk mendidih.

Menyangka periuk besar berisi air panas mempunyai suhu yang lebih tinggi daripada secawan kecil air panas yang sama. Suhu kedua-duanya sama; periuk besar hanya mengandungi lebih banyak haba.

Adakah deria sentuhan sesuai digunakan untuk menentukan sama ada seseorang demam atau tidak?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Tidak. Deria sentuhan hanya memberi rasa panas atau sejuk yang kasar dan bergantung pada persekitaran. Termometer memberi bacaan suhu yang tepat.

9.2Pengaliran haba dan keseimbangan terma

Haba mengalir dari objek yang panas ke objek yang sejuk. Aiskrim yang dibiarkan pada suhu bilik menyerap haba dan mencair. Pengaliran haba berlaku dalam tiga cara: konduksi, perolakan dan sinaran (Aktiviti 9.1).

Konduksi

Konduksi ialah proses pengaliran haba dari kawasan panas ke kawasan sejuk melalui medium pepejal.

Rod kuprum dipanaskan pada hujung kiri dengan tiga paku tekan K, L dan M dilekatkan dengan lilin — Aktiviti 9.1A. Paku tekan K yang paling dekat dengan nyalaan jatuh dahulu, kemudian L, kemudian M. (Dilukis semula daripada Rajah 9.1, m.s. 207)

Zarah-zarah yang menerima tenaga haba bergetar dan berlanggar antara satu sama lain dengan lebih kerap, lalu memindahkan haba ke seluruh medium.
Zarah-zarah tidak bergerak sepanjang rod; hanya tenaga haba yang berpindah.

Perolakan

Perolakan ialah pengaliran haba melalui pergerakan bendalir (cecair dan gas) dari kawasan panas ke kawasan sejuk.

Bahagian bendalir yang menerima haba mengembang, menjadi kurang tumpat dan naik ke atas.
Bahagian bendalir yang sejuk dan lebih tumpat turun ke bawah.
Peredaran bendalir yang naik dan turun secara berterusan ini dikenali sebagai arus perolakan.

Bikar air dipanaskan di satu sudut bawah; anak panah menunjukkan air naik di atas nyalaan, bergerak merentasi bahagian atas, turun di sebelah lagi dan kembali di sepanjang dasar — Aktiviti 9.1B(i): arus perolakan dalam air. Hablur kalium permanganat menunjukkan arah pergerakan air. (Dilukis semula daripada Rajah 9.2, m.s. 207)

Dalam Aktiviti 9.1B(ii), asap daripada colok berbara menunjukkan pergerakan udara: udara turun di sebelah colok, melalui bawah kadbod berbentuk T dan naik di atas lilin yang menyala.

Sinaran

Sinaran ialah proses pemindahan haba tanpa sebarang medium. Haba boleh merambat melalui ruang kosong atau vakum.

Jenis permukaan, suhu dan luas permukaan objek mempengaruhi kadar pengaliran haba.
Dalam Aktiviti 9.1C, balang kaca terasa panas walaupun udaranya telah dikeluarkan dengan pam vakum. Ini membuktikan sinaran tidak memerlukan medium.

Cara	Medium diperlukan	Berlaku dalam	Contoh
Konduksi	Ya, pepejal	Pepejal (paling baik dalam logam)	Sudu logam dalam sup panas menjadi panas
Perolakan	Ya, bendalir	Cecair dan gas	Air yang dipanaskan dalam cerek
Sinaran	Tidak	Di mana-mana, termasuk vakum	Kehangatan cahaya Matahari

Mengapakah gelung pemanas cerek elektrik berada di dasar cerek? Air yang dipanaskan naik dan air yang sejuk turun ke gelung pemanas, maka seluruh air dipanaskan melalui perolakan.

Cara pengaliran haba yang manakah boleh berlaku melalui vakum? Apakah buktinya?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Sinaran. Haba Matahari sampai ke Bumi melalui ruang kosong, dan dalam Aktiviti 9.1C permukaan balang kaca terasa panas walaupun udara telah dikeluarkan.

Pengaliran haba dalam fenomena alam

Tenaga haba dipindahkan daripada Matahari ke Bumi melalui sinaran. Tenaga ini menembusi lapisan atmosfera lalu diserap oleh tanah dan air. Pemanasan Bumi oleh Matahari boleh menyebabkan perubahan iklim dan fenomena alam seperti bayu laut dan bayu darat. Pembentukan kedua-dua bayu ini ialah contoh perolakan yang berlaku secara semula jadi.

Dua rajah pesisir pantai. Pada waktu siang udara panas naik di atas darat dan udara sejuk dari laut bergerak ke darat. Pada waktu malam udara panas naik di atas laut dan udara sejuk dari darat bergerak ke laut — Bayu laut dan bayu darat. (Dilukis semula daripada Rajah 9.6 dan Rajah 9.7, m.s. 210)

	Bayu laut	Bayu darat
Waktu	Siang	Malam
Permukaan yang lebih panas	Darat (lebih cepat panas berbanding laut)	Laut (darat menjadi sejuk lebih cepat)
Apa yang berlaku	Udara panas di darat mengembang, menjadi kurang tumpat dan naik. Udara sejuk yang lebih tumpat dari permukaan laut menggantikannya.	Udara di permukaan laut yang lebih panas menjadi kurang tumpat lalu naik. Udara sejuk yang lebih tumpat dari darat bergerak ke laut.
Arah bayu	Dari laut ke darat	Dari darat ke laut

Tersalah arah. Bayu dinamakan mengikut tempat asalnya: bayu laut bertiup dari laut ke darat.

Pada waktu siang, mengapakah udara sejuk dari laut bergerak ke darat?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Matahari memanaskan darat lebih cepat berbanding laut. Udara panas di darat mengembang, menjadi kurang tumpat dan naik. Udara sejuk yang lebih tumpat dari laut bergerak untuk menggantikannya.

Konduktor haba dan penebat haba

Bahan yang boleh mengalirkan haba dikenali sebagai konduktor haba. Bahan yang menghalang pengaliran haba dikenali sebagai penebat haba.

	Konduktor haba	Penebat haba
Contoh bahan	Logam seperti kuprum, besi dan aluminium; merkuri	Gentian kaca, polistirena, kayu, kapas, kain felt
Kegunaan	Tapak seterika dan dasar kuali daripada logam; merkuri dalam termometer mengesan perubahan suhu dengan cepat	Sarung tangan ketuhar melindungi tangan daripada melecur; dinding kotak ais mengekalkan kesejukan; peralatan dapur daripada kayu menghalang haba mengalir ke tangan

Eksperimen 9.1: bahan penebat haba yang baik

Empat kelalang dasar rata berisi air didih: K tidak dibalut, L dibalut dengan kapas, M dengan kain felt dan N dengan kerajang aluminium.
Pemboleh ubah dimanipulasikan: jenis bahan penebat. Bergerak balas: suhu akhir. Dimalarkan: isi padu air dalam kelalang.
Kelalang K ialah kawalan. Dalam contoh data pada soalan ulang kaji, suhu awal ialah 95 °C dan suhu akhir K, L, M, N ialah 58, 83, 80, 66 °C. Beza suhu: K 95 − 58 = 37 °C, L 95 − 83 = 12 °C, M 95 − 80 = 15 °C, N 95 − 66 = 29 °C. Beza suhu yang paling kecil (L) bermakna kapas ialah penebat haba yang paling baik. Kerajang aluminium ialah konduktor, maka N menyejuk lebih cepat daripada L.

Mengapakah polistirena digunakan untuk menyimpan kiub ais?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Polistirena ialah penebat haba. Ia menghalang haba daripada persekitaran mengalir masuk, maka kiub ais lambat mencair.

Mengapakah permaidani terasa lebih panas daripada jubin marmar apabila dipijak (Cetusan Minda, m.s. 208)?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Jubin marmar ialah konduktor haba yang lebih baik, maka haba dari kaki dialirkan pergi dengan cepat dan kaki terasa sejuk. Permaidani ialah penebat haba, maka haba kaki tidak mengalir pergi.

Keseimbangan terma

Dua objek yang berada dalam sentuhan terma memindahkan tenaga haba daripada objek yang bersuhu tinggi ke objek yang bersuhu rendah. Apabila pemindahan haba antara kedua-dua objek itu sifar, objek-objek itu berada dalam keseimbangan terma. Objek-objek tersebut mempunyai suhu yang sama.

Graf garis: objek panas P menyejuk daripada 80 ke 45 darjah Celsius dan objek sejuk Q memanas daripada 20 ke 45 darjah Celsius; kedua-dua garis bertemu dan mendatar — Contoh graf: objek panas kehilangan haba dan objek sejuk menerimanya sehingga kedua-duanya mencapai 45 °C (selepas 12 minit).

9.3Prinsip pengembangan dan pengecutan jirim

Pengembangan: isi padu jirim bertambah apabila dipanaskan.
Pengecutan: isi padu jirim berkurang apabila disejukkan.

Aktiviti 9.4 mengkaji kesan haba terhadap pepejal (batang besi dan tolok), cecair (air berwarna dalam kelalang kon) dan gas (belon pada kelalang kon). Pepejal, cecair dan gas semuanya mengembang apabila dipanaskan dan mengecut apabila disejukkan.

Grid 4 kali 4 zarah yang rapat dalam pepejal sejuk, dan zarah yang sama lebih berjauhan dalam pepejal panas — Apabila pepejal dipanaskan, zarah-zarah bergetar lebih cepat dan jarak antara zarah bertambah, maka pepejal mengembang.

	Apabila dipanaskan	Apabila disejukkan
Pepejal	Zarah bergetar pada kedudukan tetap dengan lebih cepat dan jarak antara zarah bertambah. Isi padu bertambah: pepejal mengembang.	Zarah bergetar lebih perlahan dan jarak antara zarah berkurang. Isi padu berkurang: pepejal mengecut.
Cecair dan gas	Zarah bergerak bebas dengan lebih cepat dan jarak antara zarah bertambah. Cecair dan gas mengembang.	Zarah bergerak lebih perlahan dan semakin rapat antara satu sama lain. Cecair dan gas mengecut.

Saiz zarah-zarah tidak berubah. Hanya jarak antara zarah yang bertambah atau berkurang.

Kegunaan pengembangan dan pengecutan jirim dalam kehidupan harian

Situasi	Penerangan
Merkuri dalam termometer	Merkuri ialah konduktor haba yang mengembang dan mengecut. Ia naik dalam tiub apabila panas dan turun apabila sejuk.
Ruang pada landasan kereta api	Ruang kecil di antara penyambung rel membolehkan landasan mengembang pada cuaca panas. Tanpa ruang ini, landasan berisiko membengkok dan bertindih.
Jambatan keluli	Dibina dengan penggolek dan satu ruang pada satu hujung supaya jambatan boleh mengembang pada cuaca panas.
Jalur dwilogam	Dua jalur logam berbeza (kuprum dan besi) mengembang pada kadar berbeza, maka jalur membengkok apabila dipanaskan.
Penutup botol yang ketat	Rendam penutup dalam air panas seketika. Penutup mengembang dan boleh dibuka.
Bola pingpong kemik	Masukkan ke dalam besen air panas. Haba menyebabkan udara di dalam bola mengembang dan kemik hilang.
Kabel penghantaran pada tiang	Dipasang longgar sedikit supaya kabel boleh mengecut pada cuaca sejuk tanpa putus.

Jalur dwilogam kuprum dan besi lurus pada suhu bilik, melengkung apabila dipanaskan dan melengkung ke arah bertentangan apabila disejukkan; litar penggera kebakaran yang lengkap apabila jalur membengkok menyentuh skru sentuhan — Model sistem penggera kebakaran. Apabila litar terdedah kepada haba kebakaran, kuprum mengembang lebih cepat berbanding besi dan jalur membengkok ke arah skru sentuhan. Litar menjadi lengkap dan penggera berbunyi.

Rajah daripada buku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), Rajah 9.14, m.s. 215.

Lupa bahawa logam yang mengembang lebih banyak berada di bahagian luar lengkungan. Kuprum mengembang lebih cepat daripada besi, maka jalur membengkok ke arah besi.

Mengapakah kabel penghantaran pada tiang biasanya dipasang longgar sedikit?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Pada cuaca sejuk kabel mengecut. Jika kabel dipasang tegang, kabel boleh putus. Pemasangan longgar memberi ruang untuk pengecutan.

9.4Hubung kait jenis permukaan objek dengan penyerapan dan pembebasan haba

Apabila suatu objek menyerap haba, suhunya meningkat. Apabila suatu objek membebaskan haba, suhunya menurun.
Permukaan yang gelap dan kusam ialah penyerap dan pembebas haba yang lebih baik daripada permukaan yang cerah dan berkilat.

	Permukaan gelap dan kusam	Permukaan putih dan berkilat
Menyerap haba	Dengan baik	Kurang baik
Membebaskan haba	Dengan baik	Kurang baik

Carta palang: tin J (putih) naik 12 darjah Celsius, tin K (hitam) naik 31 darjah Celsius — Contoh keputusan Eksperimen 9.2A: suhu awal udara dalam kedua-dua tin ialah 30 °C. Selepas 10 minit tin hitam naik 31 °C (61 − 30), tin putih hanya naik 12 °C (42 − 30).

Eksperimen 9.2: tin putih dan tin hitam

A. Penyerap haba: dimanipulasikan: warna permukaan; bergerak balas: kenaikan suhu; dimalarkan: jarak dari sumber haba. Dua tin susu kosong (putih J, hitam K) diletakkan sama jauh dari penunu Bunsen selama 10 minit.
B. Pembebas haba: dimanipulasikan: warna permukaan; bergerak balas: penurunan suhu; dimalarkan: isi padu air panas. Tin hitam mencatat penurunan suhu yang lebih besar.
Hipotesis diterima: objek yang gelap menyerap dan membebaskan haba lebih baik daripada objek putih.

Kegunaan dalam kehidupan harian

Lori tangki minyak dicat putih atau perak. Warna cerah menyerap kurang haba, maka penyejatan minyak dapat dikurangkan.
Baju berwarna cerah dipakai semasa cuaca panas kerana menyerap kurang haba.
Kelalang termos mempunyai dinding dalam yang berkilat supaya haba kurang dibebaskan dan air panas kekal panas lebih lama.
Penyerap dan pembebas haba yang baik: dasar periuk yang hitam dan kusam.

Konsep bangunan hijau (Aktiviti 9.5)

Konsep bangunan hijau ialah idea untuk mengurangkan kesan terhadap alam sekitar dan kesihatan manusia akibat kepesatan pembangunan. Ciri-cirinya: kecekapan tenaga yang tinggi melalui tenaga solar atau tenaga boleh diperbaharui; sistem pengaliran air, peredaran udara dan pencahayaan yang baik; dan penggunaan bahan-bahan kitar semula.

Menulis bahawa objek berkilat "menarik" atau "memerangkap" haba. Objek berkilat memantulkan haba, maka ia menyerap kurang haba.

Mengapakah rumah beratap putih lebih sejuk daripada rumah beratap hitam?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Permukaan putih ialah penyerap haba yang kurang baik. Kurang haba daripada Matahari diserap, maka rumah lebih sejuk.