KAPASITAS KALOR MODEL EINSTEIN DAN DEBYE Sejumlah

KAPASITAS KALOR MODEL EINSTEIN DAN DEBYE
Sejumlah panas (∆Q) yang diperlukan per mol zat untuk menaikkan suhunya disebut kapasitas kalor.
Bila kenaikan suhu zat ∆T, maka kapasitas panas adalah :
Jika proses penyerapan panas berlangsung pada volume tetap, maka panas yang diserap sama
dengan peningkatan energi dalam zat
∆Q = ∆E
E menyatakan energi dalam.
Kapasitas kalor pada volume tetap (Cv) dapat dinyatakan:
Kapasitas panas zat pada suhu tinggi mendekati nilai 3R; R menyatakan tetapan gas umum. Karena
R ≅ 2 kalori/K-mol, maka pada suhu tinggi kapasitas panas zat padat :
Gambar 2.11. Kebergantungan kapasitas panas zat padat pada suhu
Model Teori Klasik
Menurut fisika klasik, getaran atom-atom zat padat dapat dipandang sebagai osilator harmonik.
Osilator harmonik merupakan suatu konsep/model yang secara makroskopik dapat dibayangkan
sebagai sebuah massa m yang terkait pada sebuah pegas dengan tetapan pegas C.
Untuk osilator harmonik satu-dimensi, energinya dapat dirumuskan :
dengan v laju getaran osilator,
x simpangan osilator
ω frekuensi sudut getaran osilator
.
Untuk osilator harmonik satu dimensi yang mempunyai dua derajad bebas mempunyai energi ratarata :
Selanjutnya, karena atom-atom dalam kristal membentuk susunan tiga-dimensi, maka untuk satu mol
osilator harmonik tiga-dimensi, energi dalamnya :
Dengan demikian kapasitas kalornya :
dari hasil (2.42) ini terlihat bahwa menurut model fisika klasik, kapasitas panas zat padat
tidak bergantung suhu dan berharga 3R. Hal ini sesuai dengan hukum Dulong-Petit yang hanya
berlaku untuk suhu tinggi. Sedangkan untuk suhu rendah jelas teori ini tidak berlaku.
Model Einstein
Dalam model ini, atom-atom dianggap sebagai osilator-osilator bebas yang bergetar tanpa
terpengaruh oleh osilator lain di sekitarnya. Energi osilator dirumuskan secara kuantum (berdasarkan
teori kuantum) yang berharga diskrit :
dengan ђ= h/2π
0
h tetapan Planck.
Pada tingkat dasar n = 0, energi osilator є0 = 0.
Tingkat berikutnya n = 1, 2 dan seterusnya. Perbedaan energi antar tingkat adalah ђω ; lihat gambar
2.12.
Gambar 2.12. Spektrum energi osilator satu dimensi menurut teori kuantum.
Pada keseimbangan termal, energi rata-rata osilator dinyatakan oleh :
faktor (bobot) Boltzmann exp(-єn/kT) menyatakan kebolehjadian keadaan berenergi єn tertempati.
Persamaan (2.44) dalam bentuk deret tersebut ekuivalen dengan ungkapan :
Selanjutnya, untuk satu mol osilator tiga-dimensi memiliki energi dalam :
Sehingga kapasitas kalornya:
Dalam model Einstein frekuensi osilator ω biasa ditulis ωE yang disebut frekuensi Einstein.
Untuk menyederhana persamaan (2.46) didefinisikan suhu Einstein (θE) menurut :
dan persamaan (2.46) tereduksi menjadi :
Pada suhu tinggi (T>>), maka nilai (θE/T) berharga kecil; sehingga exp (θE/T) dapat
diuraikan ke dalam deret sebagai berikut :
Menurut hasil ini jelas bahwa model Einstein cocok pada suhu tinggi. Bagaimana untuk suhu
rendah? Pada suhu rendah (T<<) nilai (θE/T) besar. Hal ini berdampak pada penyebut dalam persamaan
(2.48); yaitu :
sehingga ungkapan kapasitas panas menjadi :
Dengan
Jadi, pada suhu rendah Cv sebanding dengan e dan jelas ini tidak cocok dengan hasil
eksperimen, dimana Cv sebanding dengan T3. Sekali lagi, model inipun gagal menjelaskan Cv
pada suhu rendah.
Model Debye
Dalam model Einstein, atom-atom dianggap bergetar secara terisolasi dari atom di sekitarnya.
Anggapan ini jelas tidak dapat diterapkan, karena gerakan atom akan saling berinteraksi
dengan atom-atom lainnya. Seperti dalam kasus penjalaran gelombang mekanik dalam zat padat,
oleh karena rambatan gelombang tersebut atom-atom akan bergerak kolektif. Frekuensi getaran
atom bervariasi dari ω=0 sampai dengan ω =ωD. Batas frekuensi ωD disebut frekuensi potong
Debye.
Menurut model Debye ini, energi total getaran atom pada kisi diberikan oleh ungkapan
є (ω) adalah energi rata-rata osilator seperti pada model Einstein
sedangkan g (ω) adalah rapat keadaan
Dalam selang frekuensi antara ω = 0 dan ω = ωD, g(ω) memenuhi :
Jumlah moda getaran sama dengan jumlah 1 mol osilator tiga-dimensi, yang dalam kurva pada
gambar 2.13 ditunjukkan oleh daerah terarsir. Frekuensi potong ωD dapat ditentukan dengan cara
memasukkan persamaan (2.19.) ke dalam persamaan (2.52.), yang memberikan :
Apabila kita menggambarkan kontur yang berhubungan dengan ω = ωD dalam ruang - q seperti
pada gambar 2.4. akan diperoleh sebuah bola yang disebut bola Debye, dengan jejari qD yang
disebut jejari Debye dan memenuhi
Pada suhu tinggi (T>>θD), batas atas integral (θD/T) sangat kecil, demikian juga variabel x.
Sebagai pendekatan dapat diambil : ex ≅ 1 + x
sehingga integral yang bersangkutan menghasilkan :
Masukkan hasil ini kepersamaan (2.56)
D
Sesuai dengan hukum Dulong-Petit, sehingga pada suhu tinggi
model3 ini cocok dengan hasil
eksperimen. Pada suhu rendah (T<<θD), batas integral pada persamaan (2.56) menuju tak
berhingga; dan integral tersebut menghasilkan 4π4/15. Dengan demikian :