sejarah hukum ke nol termodinamika

Hukum Ke Nol Termodinamika

1. Sejarah Hukum Ke Nol

Abad ke-5 SM, seorang filsuf Yunani Parmenides menulis sebuah puisi konvensional yang berjudul “On Nature”, beliau menggunakan penalaran verbal untuk mengungkapkan bahwa kekosongan, pada dasarnya apa yang sekarang kita kenal sebagai vakum di alam ini ternyata tidak bisa terjadi. Pandangan tersebut didukung oleh Aristoteles. Aristoteles (350 SM) merupakan orang yang pertama kali melakukan percobaan tentang panas. Dia mengatakan bahwa panas merupakan bagian dari materi atau dengan kata lain materi tersusun dari panas dan pada tahun 1593, penalaran Aristoteles diteruskan oleh seorang bernama Galileo Galilei. Dia menganggap bahwa panas adalah sesuatu yang dapat diukur, melalui penemuannya berupa termometer air.

Beberapa tahun kemudian setelah Galileo Galilei meneruskan penalaran Aristoteles, tepatnya pada tahun 1799 dua Ilmuwan bernama Sir Humphrey Davy dan Count Rumford menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir. Pernyataan tersebut mendukung prinsip kerja termometer yang ditemukan oleh Galileo Galilei namun membantah pernyataan Aristoteles yang menyatakan bahwa panas merupakan bagian dari materi atau dengan kata lain materi tersusun dari panas. Saat itu seharusnya dirumuskan hukum ke-nol termodinamika, akan tetapi karena pada saat itu termodinamika belum berkembang sebagai ilmu maka para tidak terpikirkan oleh para ilmuwan untuk merumuskan hukum ke-nol dengan pernyataannya:

“dua sistem dalam keadaan yang setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”.

Beberapa tahun sebelum Sir Humphrey Davy dan Count Rumford menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir, tepatnya pada tahun 1778 seorang ilmuwan bernama Thomas Alfa Edison memeperkenalkan sebuah mesin uap pertama yang mengkonvensi panas menjadi kerja mekanik. Kemudian pada tahun 1824, ilmuwan bernama Sadi Carnot berupaya untuk menemukan hubungan antara panas yang digunakan dan kerja mekanik yang dihasilkannya.

Hasil pemikiran Carnot merupakan titik awal perkembangan ilmu termodinamika klasik. Carnot dianggap sebagai Bapak Termodinamika, dia mempublikasikan refleksi pada kekuatan motif api, wacana pada efisiensi panas, kekuatan, energi dan mesin. Makalah tersebut menguraikan hubungan energik dasar antara mesin Carnot, siklus Carnot, dan kekuatan motif. Hal ini menjadi tanda bahwa termodinamika sebagai ilmu pengetahuan modern telah dimulai.

Tahun 1845, 67 tahun setelah Thomas Alfa Edison memperkenalkan mesin uapnya, James P.Joule menyimpulkan bahwa panas dan kerja merupakan dua bentuk energi yang satusama lainnya dapat dikonversi. Kesimpulan Joule didukung oleh ilmuwan-ilmuwan lainnya seperti rudolf Clausius, Lord Kelvin (William Thompson), Helmhozt, dan Robert Mayer, kemudian selanjutnya para ilmuwan ini  merumuskan hukum pertama termodinamika pada tahun 1850. Setahun sebelumnya, ternyata Lord Kelvin telah memperkenalkan istilah termodinamika melalui makalahnya yang berjudul: An Account of Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat. Sedangkan buku tentang termodinamika pertama ditulis oleh William Rankine pada tahun 1859. Pernyataan hukum pertama termodinamika yang dirumuskan oleh para ilmuwan tadi adalah:

“perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi panas yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap system”.

Secara matematis, pernyataan tersebut dapat diungkapkan dengan persamaan:

∆U = Q + W

Setelah Lord Kelvin dan Planck mempelajari mesin carnot, kemudian menyimpulkan bahwa pada suatu mesin siklik tidaklah mungkin kalor yang diterima mesin itu akan diubah semuanya menjadi kerja, tetapi akan selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. Hal ini terjadi akibat sifat sebuah sistem yang selalu menuju ketidakteraturan, entropi (S) meningkat. Pada saat itu tepatnya pada tahun 1860 hukum kedua termodinamika diperkenalkan. Menurut Clausius, dia menyatakan bahwa besarnya perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem ketika sistem tersebut mendapatkan tambahan kalor (Q) pada temperatur atau suhu konstan dapat dinyatakan melalui pernyataan yang dikenal sebagai hukum kedua termodinamika yang berbunyi:

“total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”.

Artinya, kalor dapat mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin, sebaliknya kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.

Tahun 1873-1876, seorang ilmuwan matematika yang merupakan fisikawan Amerika bernama Josiah Williard Gibbs menerbitkan tiga makalah, dimana salah satu makalahnya yang paling terkenal adalah pada kesetimbangan substansi heterogen. Pada makalah itu ia menunjukan bagaimana proses termodinamika, termasuk didalamnya adalah reaksi kimia yang dapat dianalisis melalui grafis dengan mempelajari energi, entropi, volume, suhu dan tekanan dari sistem termodinamika sedemikian rupa.

Beberapa tahun kemudian, pada tahun 1885 Boltzman menyatakan bahwa energi dalam dan entropi merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Pernyataan tersebut menjadi awal perkembangan termodinamika statistik yang merupakan pendekatan secara mikroskopis tentang sifat termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel sebagai penyusunnya.

Pada tahun 1906, Giauque dan W. Nernst merumuskan hukum ketiga termodinamika. Pernyataan hukum ketiga tersebut adalah:

“pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, maka semua proses yang terjadi dalam sistem tersebut akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”.

Awal abad ke-20, munculah termodinamika statistik yang juga disebut sebagai mekanika statistik. Kemunculan tersebut ditandai dengan perkembangan teori atom dan molekuk pada paruh kedua abad ke-19 yang kemudian melengkapi termodinamika dengan menginterpretasikan interaksi mikroskopis antara partikel individu atau kuantum mekanis. Bidang ini menghubungkan sifat mikroskopis atom dan molekul individu dengan sifat makroskopisnya adalah sebagian besar bahan-bahan yang dapat diamati pada skla manusia, sehingga menjelaskan bahwa termodinamika merupakan akibat alami dari statistik, mekanika klasik, dan teori kuantum pada tingkat mikroskopis.

2. Bunyi Hukum Ke Nol Termodinamika

Hukum ke 0 termodinamika berbunyi : ” Jika 2 buah benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda yang ke 3, maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu dengan lainnya” . Untuk lebih memahami tentang isi hukum ke 0 termodinamika, maka bunyi hukum ini dapat ditulis ulang dengan kata-kata yang lebih sederhana yaitu  Jika benda A mempunyai temperatur yang sama dengan benda B dan benda B mempunyai temperatur yang sama dengan benda C maka temperatur benda A akan sama dengan temperatur benda C atau disebut ketiga benda (benda A, B dan C) berada dalam kondisi kesetimbangan termal.

kesetimbangan termal 

hukum ke nol termodinamika

2.1. Hukum Termodinamika ke-Nol

Hukum ke-nol termodinamika berbunyi : ” Jika 2 buah benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda yang ke 3, maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu dengan lainnya” . Untuk lebih memahami tentang isi hukum ke 0 termodinamika, maka bunyi hukum ini dapat ditulis ulang dengan kata-kata yang lebih sederhana yaitu  Jika benda A mempunyai temperatur yang sama dengan benda B dan benda B mempunyai temperatur yang sama dengan benda C maka temperatur benda A akan sama dengan temperatur benda C atau disebut ketiga benda (benda A, B dan C) berada dalam kondisi kesetimbangan termal. Kondisi ini dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 1 kesetimbangan termal antara benda A, benda B dan benda C

Pada dasarnya hukum ke nol termodinamika merupakan azas kesetimbangan termodinamik. Azas tersebut menyatakan, jika dua objek yang terpisah ada dalam keadaan setimbang termodinamik dengan objek yang ketiga dan mereka ada dalam keadaan setimbang, maka ketiga objek yang ada dalam kesetimbangan termodinamik mempunyai temperatur yang sama.

Jika 2 benda yang berbeda temperatur bersentuhan, maka dikatakan ke dua benda itu berada dalam kondisi kontak termal. Permukaan tempat kedua benda bersentuhan disebut permukaan kontak termal. Panas atau dinginnya suatu benda ditentukan oleh banyaknya energi panas (kalor) yang diserap oleh molekul benda. Besarnya derajat panas benda ini disebut temperatur benda atau suhu benda.

kalorimeter

KALORIMETER

A.    Pengertian

Kalorimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor yang terlibat dalam suatu perubahan atau reaksi kimia.

Pada kalorimeter terjadi perubahan energi dari energi listrik menjadi energi kalor sesuai dengan hukum kekekalan energi yang menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan energi tidak dapat dimusnahkan.

Prinsip kerja dari kalorimeter adalah mengalirkan arus listrik pada kumparan kawat penghantar  yang dimasukan ke dalam air suling.  Pada waktu bergerak dalam kawat penghantar  (akibat perbedaan potenial) pembawa muatan bertumbukan dengan atom logam dan kehilangan energi. Akibatnya pembawa muatan bertumbukan dengan kecepatan konstan yang sebanding dengan kuat medan listriknya. Tumbukan oleh pembawa muatan akan menyebabkan logam yang dialiri arus listrik memperoleh energi yaitu energi kalor / panas.

Diketahui bahwa semakin besar nilai tegangan listrik dan arus listrik pada suatu bahan maka tara panas listrik yang dimiliki oleh bahan itu semakin kecil. Kita dapat melihat seolah  pengukuran dengan menggunakan arus kecil menghasilkan nilai yang kecil. Hal ini merupakan suatu anggapan yang salah karena dalam pengukuran pertama perubahan suhu yang digunakan sangatlah kecil berbeda dengan data yang menggunakan arus besar. Tapi jika perubahan suhu itu sama besarnya maka yang berarus kecil  yang mempunyai tara panas listrik yang besar.

B.    Penemu Kalorimeter (Joseph Black)

Ketika Joseph Black, ahli kimia-fisika dari Skotlandia, menjabat profesor di Universitas Edinburgurh, kelasnya selalu dipenuhi murid-murid dari seluruh Eropa yang ingin mendengarkan kuliahnya yang sering disertai demonstrasi percobaan yang menarik.

Beberapa percobaan yang Black lakukan ketika mengajar masih sering dilakukan oleh guru kimia sekolah saat ini, misalnya menambahkan karbon dioksida ke lilin yang menyala di dalam stoples, dan mengeluarkannya melalui selang ke larutan kalsium.

Black menghabiskan banyak waktunya untuk mengamati perpindahan kalor. Karena sering berkutat di laboratorium, ia berhasil mendapatkan penemuan yang sangat penting di tahun 1761, yaitu kalor laten. Kalor laten adalah kalor yang diserap oleh suatu zat, bukan untuk menaikkan suhu zat tersebut, tetapi digunakan untuk mengubah wujudnya. Kita dapat mengamati kalor laten dalam kehidupan sehari-hari, misalnya, ketika air (zat cair) yang dipanaskan berubah menjadi uap air (zat gas).

Black juga membuktikan bahwa setiap benda menyerap kalor yang berbeda untuk menaikkan suhunya sebanyak satu derajat. Inilah yang sebenarnya kita ukur ketika menggunakan kalorimeter, alat yang diciptakan oleh Balck. Black jugalah orang yang dianggap sebagai penemu gas karbon dioksida.

Joseph Black adalah guru dari James Watt, penemu  mesin uap yang justru lebih terkenal daripada Black sendiri. temuan-tenuan black terbukti bermanfaat bagi Watt untuk semakin meningkatkan kinerja mesin uapnya.

DIFERENSIAL EKSAK DAN TAK EKSAK

DIFERENSIAL EKSAK DAN DIFERENSIALTIDAK EKSAK DALAM TERMODINAMIKA

Termodinamika merupakan bagian dari cabang Fisika yang namanya Termofisika (Thermal Physics). Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Termodinamika hanya mempelajari besaran-besaran yang berskala besar (makroskopis) dari sistem yang dapat diamati dan diukur dalam eksperimen. Besaran-besaran yang berskala kecil (mikroskopis) dipelajari dalam Teori Kinetik Gas (Kinetic Theory of Gas) atau Fisika Statistik (Statistical Physics).

Termodinamika juga dapat diartikan sebagai ilmu yang menjelaskan kaitan antara besaran fisis tertentu yang menggambarkan sikap zat di bawah pengaruh kalor. Besaran fisis ini disebut koordinat makroskopis sistem. Kaitan atau rumus yang menjelaskan hubungan antar besaran fisis diperoleh dari eksperimen dan kemudian dapat digunakan untuk meramalkan perilaku zat di bawah pengaruh kalor. Jadi, Termodinamika merupakan ilmu yang berlandaskan pada hasil-hasil eksperimen.

Termodinamika dalam arti sempit merupakan salah satu ranting dari Ilmu Alam, Ilmu Thobi’ah, atau Fisika yang mempelajari materi yang ada dalam keadaan setimbang terhadap

perubahan temperatur, tekanan, volume, dan komposisi kimia. Termodinamika didasarkan pada empat konsepsi empiris, yaitu: hukum ke nol, pertama (yang berkaitan dengan kerja suatu sistem), kedua, dan ketiga Termodinamika. Oleh karena itu, sebagian ahli menyatakan, Termodinamika merupakan ranting Fisika yang mempelajari hubungan antara kalor dan kerja.

Ada dua pendapat mengenai pemanfaatan Termodinamika. Versi pertama datang dari Fisikawan dan Kimiawan. Mereka lebih condong menggunakan Termodinamika untuk meramalkan dan menghubungkan pelbagai sifat zat di bawah pengaruh kalor dan mengembangkan data termodinamis. Versi kedua berasal dari para Insinyur (Engineer). Mereka lebih condong menggunakan data termodinamis dan gagasan dasar ketetapan energi serta produksi entropi untuk menganalisis perilaku sistem yang kompleks.

Secara umum Termodinamika dapat dimanfaatkan untuk:

1. menjelaskan kerja beberapa sistem termodinamis.

2. menjelaskan mengapa suatu sistem termodinamis tidak bekerja sesuai dengan yang diharapkan.

3. menjelaskan mengapa suatu sistem termodinamis sama sekali tidak mungkin dapat bekerja.

4. landasan teoritis para Insinyur perencana dalam mendisain suatu sistem termodinamis; misalnya: motor bakar, pompa termal, motor roket, pusat pembangkit tenaga listrik, turbin gas, mesin pendingin, kabel transmisi superkonduktor, LASER daya tinggi, dan mesin pemanas surya.

Termodinamika memusatkan perhatiannya pada faham mengenai:

1.    ketetapan energi.

2.    ketetapan entropi, dalam arti, proses yang menghasilkan entropi mungkin dapat terjadi, namun proses yang menghapuskan entropi mustahil terjadi.

3.    entropi yang dapat digunakan untuk menentukan jumlah daya berguna maksimum yang dapat diperoleh dari berbagai sumber energi untuk melakukan kerja.

A. Pengertian Diferensial

Suatu persamaan yang mengandung fungsi atau turunannya dinamakan persamaan diferensial. Jika mengandung turunan parsial dinamakan persamaan diferensial parsial. Selaij persamaan diferensial parsial, dikenal persamaan diferensial yang lain dinamakan persamaan diferensial biasa.

B. Diferensial Total

Perhatikan fungsi x = x (y, z). Andaikan fungsi ini benar-benar ada, artinya “x is an existing function of y and z”, maka nilai x dapat berubah karena y berubah tetapi z tidak, atau z berubah tetapi y tidak, atau y dan z keduanya berubah. Perubahan-perubahan ini secara matematis dapat dinyatakan dalam bentuk diferensial total, diferensial parsial, diferensial eksak, dan atau diferensial tak eksak.

Diferensial total dari x adalah dx yang nilainya sama dengan perubahan x karena y berubah ditambah dengan perubahan x karena z berubah. Secara matematis dapat dinyatakan:

dx = (∂x / ∂y)_z dy + (∂x / ∂z)_y dz  ……….. (1.3)

Diferensial total x adalah dx yang menggambarkan perubahan total x. Karena dx merupakan perubahan infinit suatu fungsi yang benar-benar ada, maka dx disebut diferensial eksak. Jika dx merupakan diferensial total dari fungsi x = x (y, z) yang benar-benar tidak ada, maka dx disebut diferensial tak eksak.

Dalam hal ini (∂x / ∂y)_z dy merupakan perubahan x karena y berubah, sedangkan z tidak berubah dan (∂x / ∂z)_y dz merupakan perubahan x karena z berubah, sedangkan y tidak berubah. Sedangkan (∂x / ∂y)_z dinamai diferensial parsial x ke y dengan z tetap yang biasa ditulis sebagai M (yz) dan (∂x / ∂z)_y dinamai diferensial parsial x ke z dengan y tetap yang biasa ditulis sebagai N (yz). Dalam persamaan I.3 dy disebut sebagai perubahan y dan dz disebut sebagai perubahan z.

C. Syarat Euler dan Dalil Rantai

Telah dijelaskan di atas, bahwa ada fungsi yang benar-benar ada (existing) dan ada fungsi yang benar-benar tidak ada. Jika fungsi x = x (y, z) merupakan fungsi yang benar-benar ada dan dapat didiferensialkan dengan baik (differensiable), maka urutan pendiferensialan (diferensiasi) tidak menjadi masalah. Artinya,

(∂ ² x / ∂y ∂z) _{z, y} = (∂ ² x / ∂z ∂y) _{y, z} atau

(∂M / ∂z)_y  =  (∂N / ∂y)_z . …….. (1.4)

Persamaan I.4 dikenal sebagai syarat Euler. Jadi, syarat Euler merupakan syarat yang diperlukan untuk membuktikan bahwa fungsi x = x (y, z) merupakan fungsi yang benar-benar ada. Dapat pula dinyatakan, diferensial total suatu fungsi yang benar-benar ada (yang memenuhi syarat Euler) adalah diferensial eksak.

Jika fungsi x = x (y, z), maka dx = (∂x / ∂y)_z dy + (∂x / ∂z)_y dz. Fungsi ini dapat dilihat sebagai fungsi y = y (x, z) dengan dy = (∂y / ∂x)_z dx + (∂y / ∂z)_x dz. Jika dy disubstitusikan ke dx di atas diperoleh:

dx = (∂x / ∂y)_z {(∂y / ∂x)_z dx + (∂y / ∂z)_x dz} + (∂x / ∂z)_y dz atau

dx = {(∂x / ∂y)_z (∂y / ∂x)_z } dx + {(∂x / ∂y)_z (∂y / ∂z)_x + (∂x / ∂z)_y } dz yang

berlaku untuk setiap dx dan dz. Hal ini terpenuhi jika

1. {(∂x / ∂y)_z (∂y / ∂x)_z } = 1 atau (∂x / ∂y)_z  = {1 / (∂y / ∂x)_z } ….. (1.5)

2. {(∂x / ∂y)_z (∂y / ∂z)_x + (∂x / ∂z)_y } = 0 atau

{(∂x / ∂y)_z (∂y / ∂z)_x  (∂z / ∂x)_y} =  -1 ……………… (1.6)

Persamaan I.6 dikenal sebagai dalil rantai atau aturan rantai atau “chine rule”.

Dalam Termodinamika konsep diferensial total, diferensial parsial, diferensial eksak, dan diferensial tak eksak sangat diperlukan. Pemaknaan dari keempat bentuk diferensial ini sangat bergantung pada keaadaan sistem, koordinat sistem, atau variabel sistem termodinamis. Oleh karena itu, Mahasiswa harus faham benar mengenai pengertian-pengertian dan pemaknaan diferensial dalam Termodinamika.

Sebagai teladan, perhatikan keadaan gas yang ada dalam bejana yang dilengkapi dengan pengisap (piston) seperti gambar I.1. berikut.

GAS

Gambar 1.1 : Gas dalam Bejana yang Dilengkapi dengan Piston

Gambar I.1 melukiskan keadaan gas yang ada dalam bejana dengan volume V, tekanan p, temperatur T, dan jumlah partikel N . Jika bejana tidak bocor, maka jumlah partikel gas (N) harganya selalu tetap. Besaran p, V, dan T saling berhubungan. Eksperimen menunjukkan, jika dua besaran menjadi variabel bebas, maka satu besaran lainnya menjadi variabel terikat. Hubungan ini dapat dinyatakan dalam bentuk implisit berikut.

f (p, V, T) = 0 …………… (1.7)

Bentuk eksplisitnya ada tiga, yaitu:

(a). p = p (V, T).   (b). V = V (p, T).  (c). T = T (p, V). ………. (1.8)

Bentuk diferensialnya ada tiga, yaitu persamaan 1.9. (a), (b), dan (c) berikut.

1.9. (a). dp = (∂p / ∂V)_T dV + (∂p / ∂T)_V dT

1.9. (b). dV = (∂V / ∂p)_T dp + (∂V / ∂T)p dT

1.9. (c). dT = (∂T / ∂p)_V dp + (∂T / ∂V)p dV

Makna fisis dari persamaan 1.9. (a) dapat dijelaskan sebagai berikut.

(1).dp = perubahan total dari tekanan gas dalam bejana = perubahan parsial tekanan gas karena adanya perubahan volume gas pada proses isotermis + perubahan parsial tekanan gas karena adanya perubahan temperatur pada proses isokhoris.

(2).dV = perubahan volume gas dan dT = perubahan temperatur gas.

(3). (∂p / ∂V)_T = perubahan parsial tekanan gas karena adanya perubahan volume gas pada proses isotermis.

(4). (∂p / ∂T)_V = perubahan parsial tekanan gas karena adanya perubahan temperatur pada proses isokhoris.

Makna fisis dari persamaan 1.9. (b) dan (c) dapat dijelaskan dengan cara yang sama. Indeks pada diferensial parsial menunjukkan prosesnya. Misalkan ada indeks p, maka perubahan parsial terjadi pada proses isobaris (proses tekanan tetap).