Panas, Sifat Termal, dan Suhu

Panas adalah bentuk energi yang dapat diserap atau dipancarkan oleh suatu benda, menyebabkan perubahan suhu.

Sifat termal terutama terkait dengan kuantitas fisik yang menggambarkan kemampuan suatu benda dalam menangani panas: 
  • kapasitas panas mengacu pada kemampuan benda menyimpan panas, 
  • konduktivitas termal berkaitan dengan kemampuan benda menghantarkan panas, dan 
  • difusivitas termal berhubungan dengan kemampuan benda mentransfer perubahan suhu.

Kapasitas panas, C, adalah kuantitas fisik yang dapat diukur dan numeriknya setara dengan energi yang perlu ditambahkan atau dihilangkan dari suatu benda untuk mengubah suhunya sebesar 1 K.

Karena definisi ini spesifik untuk setiap benda, diperkenalkan properti yang lebih spesifik seperti kapasitas panas molar, Cₙ, dan kapasitas panas spesifik, Cₕ, untuk mengukur panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu 1 mol atau 1 kg zat, masing-masing, sebesar 1 K. 

Jumlah energi yang dibutuhkan untuk perubahan suhu tertentu bergantung pada apakah energi ditambahkan atau dihilangkan pada tekanan konstan atau volume konstan. Pada gas ideal, energi yang ditambahkan pada volume konstan diubah menjadi energi kinetik molekul gas, menyebabkan peningkatan suhu. 

Sebaliknya, jika energi ditambahkan pada tekanan konstan, energi tersebut dibagi menjadi pekerjaan untuk peningkatan volume (agar tekanan tetap) dan energi kinetik molekul gas, yakni peningkatan suhu. 

Oleh karena itu, untuk mencapai peningkatan suhu yang sama, pada tekanan konstan diperlukan lebih banyak energi daripada pada volume konstan; dengan kata lain, kapasitas panas pada tekanan konstan, Cₚ (J kg⁻¹ K⁻¹), lebih besar daripada kapasitas panas pada volume konstan, Cₙ (J kg⁻¹ K⁻¹). 

Rasio antara kedua kapasitas panas ini biasanya disimbolkan dengan γ, yang untuk gas ideal setara dengan 5/3. Pada gas nyata, γ sedikit berubah dengan suhu.

Konduktivitas termal, Kₕ, adalah properti suatu zat yang menggambarkan kemampuannya untuk menghantarkan panas, dengan numeriknya setara dengan energi yang ditransfer dalam 1 detik melalui volume unit dasar (1 m²) dan tinggi (1 m) ketika perbedaan suhu antara sisi berlawanan sebesar 1 K. 

Difusivitas termal, Dₕ, adalah ukuran inersia termal suatu bahan, dihitung sebagai rasio konduktivitas termal, Kₕ, dan kapasitas panas volumetrik, VHC, yang sebenarnya adalah produk dari kerapatan, ρ, dan kapasitas panas spesifik, Cₕ.

Tanah merupakan lingkungan kompleks yang terdiri dari padatan, udara, dan kelembaban. Dalam keadaan kering, tanah berpasir memiliki konduktivitas termal tertinggi. Namun, air memiliki kapasitas panas yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan padatan tanah atau udara. 

Oleh karena itu, sifat termal total tanah bervariasi seiring dengan kadar kelembabannya. Konduktivitas termal sebaiknya selalu dilaporkan bersamaan dengan kadar kelembaban.



Pemanasan dan Pendinginan Tanah

Pemanasan dan pendinginan tanah adalah hasil dari keseimbangan energi permukaan Bumi. Karena radiasi elektromagnetik tidak dapat menembus tanah, sebagian energi yang tersisa di permukaan setelah dipantulkan diubah menjadi panas. 

Pemanasan intensif lapisan tanah permukaan dan konduksi energi mengatur profil suhu tanah. Penyerapan dan konduksi energi sangat dipengaruhi oleh karakteristik permukaan dan tanah seperti warna dan kerapatan, kapasitas panas spesifik, dan konduktivitas termal.

Warna dan kerapatan permukaan tanah memengaruhi daya serap panas, mengurangi albedonya jika permukaan gelap atau memiliki albedo lebih rendah jika permukaan kasar. 

Kapasitas panas spesifik tanah lebih rendah dibandingkan dengan air, mengakibatkan pemanasan dan pendinginan permukaan tanah yang lebih cepat. 

Namun, pelembaban tanah meningkatkan kapasitas panas dan kelembaban tanah mempengaruhi konduktivitas termal, dengan tanah yang lebih basah mentransfer energi lebih efisien daripada tanah yang kering.

Suhu permukaan, atau suhu "kulit," adalah faktor kunci yang memengaruhi suhu atmosfer tipis di atasnya, yang bertanggung jawab atas pembentukan embun dan embun beku. Suhu tanah di bawah permukaan tergantung pada pemanasan lapisan permukaan dan karakteristik tanah yang memengaruhi transfer energi.

Kedua pemanasan dan karakteristik tanah berubah selama siang dan tahun, menghasilkan siklus harian dan tahunan dalam profil suhu tanah.

Selama siang, lapisan tanah permukaan mencapai suhu maksimumnya sekitar satu jam setelah radiasi matahari mencapai puncaknya, sementara suhu minimum dicapai sesaat sebelum matahari terbit. 

Namun, keterlambatan waktu suhu maksimum dan minimum tanah meningkat dengan kedalaman. Waktu ini diperlukan untuk pemanasan lapisan permukaan dan transfer energi melalui kolom tanah, tergantung pada kapasitas panas tanah. 

Variasi harian suhu tanah berkurang dengan kedalaman hingga mencapai tingkat suhu konstan. Kedalaman ini bergantung pada jenis tanah, tingkat kelembaban, musim, dan lintang. Perubahan harian suhu tanah mengikuti pola musiman, terutama terlihat pada lapisan permukaan.

Pada musim dingin, pemanasan permukaan tanah siang hari lebih rendah dibandingkan musim panas karena waktu penyinaran yang lebih singkat dan intensitas radiasi matahari yang lebih rendah. 

Ini menghasilkan variasi harian yang lebih kecil dalam suhu tanah selama musim dingin dan variasi yang lebih besar selama musim panas. Variasi harian dalam suhu meningkat pada lintang lebih rendah karena pemanasan harian yang intens dan pendinginan nocturnal yang terjadi mendekati khatulistiwa. 

Karena itu, pada lintang rendah, kedalaman di mana suhu tanah siang hari konstan dicapai lebih besar selama musim panas.

Suhu tanah di belahan bumi utara mencapai minimum tahunan pada bulan Januari dan maksimum pada bulan Juli. Seiring berjalannya waktu selama setahun, variasi suhu tanah berkurang dengan kedalaman hingga mencapai tingkat suhu konstan. 

Perubahan tahunan merupakan akumulasi perubahan harian dan, karena itu, menembus lebih dalam ke dalam tanah daripada variasi harian.



Pemanasan dan Pendinginan Udara

Mekanisme yang mengatur pemanasan dan pendinginan udara melibatkan beberapa proses, termasuk konduksi, perpindahan turbulen, konveksi, radiasi, adveksi, dan penguapan serta kondensasi. 

Transfer energi antara permukaan bumi dan atmosfer melalui berbagai cara, termasuk radiasi,  konduksi, dan konveksi
Gambar: https://scied.ucar.edu

Selama siang hari, suhu udara mencapai maksimumnya beberapa jam setelah radiasi matahari puncak, dengan suhu permukaan tanah mencapai maksimum sebelumnya. Ini terjadi karena waktu yang diperlukan untuk pemanasan tanah dan udara oleh radiasi matahari. 

Pengukuran radiasi matahari, suhu tanah, dan suhu udara memberikan contoh yang baik dari fenomena ini. Intensitas radiasi matahari yang tinggi menghasilkan pemanasan intensif pada kedalaman tertentu dalam tanah, dengan keterlambatan waktu dan penurunan amplitudo yang berbeda di lapisan berbeda. 

Pada malam hari, perbedaan suhu antara lapisan udara yang berdekatan bisa berbalik, terutama setelah matahari terbenam. 

Transfer energi juga lebih cepat di udara daripada di tanah, sehingga keterlambatan waktu dan perbedaan suhu lebih rendah pada tingkat tertentu dalam lapisan udara dibandingkan dengan lapisan tanah. 

Variasi harian dalam suhu udara dipengaruhi oleh sejumlah faktor termasuk lintang, musim, penggunaan lahan, lanskap, ketinggian, keberawan, dan tutupan vegetasi. Namun, variasi harian suhu udara cenderung lebih rendah di atas permukaan air. 

Siklus tahunan suhu udara mengikuti siklus tahunan suhu permukaan, dengan variasi tahunan tertinggi di lingkungan maritim dan lebih rendah di daratan. 

Lingkungan laut memiliki dampak signifikan pada variasi harian dan tahunan suhu udara karena kapasitas panas air yang lebih tinggi, menyebabkan lautan mengakumulasi energi lebih lambat selama musim semi dan musim panas, dan mendingin lebih lambat selama musim gugur dan musim dingin. 

Selama musim dingin, suhu udara di atas dan di sekitar badan air umumnya lebih hangat daripada di daerah yang lebih jauh dari pantai. 

Di musim panas, sebaliknya, suhu udara di atas air umumnya lebih dingin, dengan variasi harian dan tahunan yang lebih kecil.


Sumber:
Disadur dan diterjemahkan secara bebas dari:
Lalic, Branislava & Eitzinger, Josef & Dalla Marta, Anna & Orlandini, Simone & Firanj Sremac, Ana & Pacher, Bernhard. (2018). Agricultural Meteorology and Climatology. 10.36253/978-88-6453-795-5.