Mengenal Apa Itu Termodinamika

Dipublikasikan oleh Dias Perdana Putra

22 Maret 2024, 14.09

Perwakilan termodinamika dari delapan aliran pendiri termodinamika. (wikipedia)

Termodinamika

Termodinamika adalah bagian dari fisika yang membahas tentang panas, kerja, dan suhu, serta bagaimana hal-hal ini terhubung dengan energi, entropi, serta karakteristik fisik dari materi dan radiasi. Prinsip-prinsip ini dijelaskan oleh empat hukum termodinamika yang menggunakan konsep-konsep fisika makroskopis yang dapat diukur, meskipun dapat dijelaskan lebih dalam melalui mekanika statistik untuk memahami unsur-unsur mikroskopisnya. Termodinamika memiliki aplikasi yang luas dalam berbagai disiplin ilmu dan teknik, termasuk kimia fisik, biokimia, teknik kimia, teknik mesin, dan bahkan bidang lain seperti meteorologi.

Sejarah termodinamika dimulai dari upaya untuk meningkatkan efisiensi mesin uap awal, terutama melalui karya Sadi Carnot pada tahun 1824 yang percaya bahwa efisiensi mesin dapat memainkan peran penting dalam pertempuran seperti Perang Napoleon. Lord Kelvin kemudian memberikan definisi ringkas termodinamika pada tahun 1854 yang menyatakan hubungan antara panas dan gaya yang bekerja di antara bagian-bagian benda yang berdekatan, serta hubungan antara panas dengan agen listrik. Clausius menyempurnakan prinsip-prinsip ini, termasuk pengenalan siklus Carnot dan hukum kedua termodinamika pada tahun 1850-an dan 1860-an. Penggunaan awal termodinamika pada mesin kalor mekanis berkembang pesat untuk mempelajari senyawa kimia dan reaksi kimia, dengan termodinamika kimia memperluas pengetahuan tentang peran entropi dalam reaksi kimia. Konsep-konsep tambahan seperti termodinamika statistik dan pendekatan matematis murni oleh Carathéodory juga memberikan kontribusi penting dalam pengembangan termodinamika.

Perkenalan

Deskripsi sistem termodinamika menggunakan prinsip-prinsip dasar yang terdiri dari empat hukum termodinamika yang membentuk fondasi aksiomatik. Hukum pertama menyatakan bahwa energi dapat dipindahkan di antara sistem fisik melalui panas, kerja, dan perpindahan materi. Hukum kedua mengenali entropi sebagai ukuran keteraturan suatu sistem dan arah di mana sistem tersebut berkembang termodinamika, serta mengukur kerja yang dapat diekstraksi dari sistem. 

Dalam konteks termodinamika, kajian dan kategorisasi interaksi antara banyak objek dilakukan. Konsep sistem termodinamika dan lingkungannya menjadi inti dari ini. Sebuah sistem terdiri dari partikel yang sifat-sifatnya ditentukan oleh gerakan rata-rata mereka, dan sifat-sifat ini saling terhubung melalui persamaan keadaan. Kombinasi sifat-sifat ini dapat diungkapkan sebagai energi dalam dan potensial termodinamika, yang membantu menentukan kondisi kesetimbangan dan proses spontan.

Dengan bantuan konsep-konsep ini, termodinamika memungkinkan penjelasan tentang bagaimana sistem merespons terhadap perubahan lingkungannya. Konsep ini dapat diterapkan dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknik, termasuk mesin, transisi fase, reaksi kimia, fenomena transportasi, bahkan hingga pada lubang hitam. Temuan dalam termodinamika memiliki dampak yang signifikan dalam berbagai bidang, seperti fisika, kimia, teknik, biologi, ilmu material, dan ekonomi, serta bidang lainnya.

Artikel ini terutama membahas termodinamika klasik, yang mempelajari sistem dalam kondisi kesetimbangan termodinamika. Meskipun termodinamika non-ekuilibrium dianggap sebagai perluasan dari kajian klasik, mekanika statistik telah membawa banyak kemajuan dalam bidang tersebut.

Sejarah

Sejarah termodinamika sebagai bidang ilmu dimulai pada masa Otto von Guericke pada tahun 1650, ketika ia membangun pompa vakum pertama dan menunjukkan konsep ruang hampa dengan eksperimen Magdeburg. Guericke ingin membuktikan bahwa ruang hampa bisa ada, menentang pandangan tradisional Aristoteles. Robert Boyle dan Robert Hooke kemudian mempelajari pompa Guericke dan pada tahun 1656, mereka membangun pompa udara yang memungkinkan mereka mengamati hubungan antara tekanan, suhu, dan volume. Dari pengamatan ini, Hukum Boyle lahir, yang menyatakan bahwa tekanan dan volume berbanding terbalik. Denis Papin kemudian mengembangkan alat pencerna uap pada tahun 1679 berdasarkan konsep ini.

Papin juga mengusulkan katup pelepas uap untuk mencegah ledakan mesin. Melalui observasi katup yang bergerak ritmis, Papin mengusulkan ide mesin piston dan silinder, meskipun desain ini tidak dikembangkan olehnya. Namun, pada tahun 1697, Thomas Savery membangun mesin pertama yang berdasarkan desain Papin, diikuti oleh Thomas Newcomen pada tahun 1712. Meskipun awalnya kasar dan tidak efisien, mesin ini menarik perhatian ilmuwan pada masa itu.

Konsep penting tentang kapasitas panas dan panas laten, yang penting bagi termodinamika, dikembangkan oleh Profesor Joseph Black di Universitas Glasgow, tempat James Watt, yang bekerja sebagai pembuat instrumen, juga berada. Watt mengembangkan ide kondensor eksternal, yang secara signifikan meningkatkan efisiensi mesin uap.

Pada tahun 1824, Sadi Carnot, dikenal sebagai "bapak termodinamika", menerbitkan buku berjudul "Refleksi Kekuatan Motif Api", yang membahas panas, energi, dan efisiensi mesin. Karya ini menandai awal termodinamika sebagai ilmu pengetahuan modern. William Rankine kemudian menulis buku teks termodinamika pertama pada tahun 1859, diikuti dengan kemunculan Hukum Termodinamika Pertama dan Kedua pada tahun 1850-an dari karya-karya seperti Rankine, Rudolf Clausius, dan William Thomson (Lord Kelvin).

Dasar-dasar termodinamika statistik dikembangkan oleh fisikawan seperti James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius, dan J. Willard Gibbs. Clausius memperkenalkan konsep entropi pada tahun 1865, sementara Gibbs menunjukkan bagaimana proses termodinamika, termasuk reaksi kimia, dapat dianalisis secara grafis dalam makalah-makalahnya pada tahun 1873–76. Selama awal abad ke-20, ahli kimia seperti Gilbert N. Lewis, Merle Randall, dan EA Guggenheim menerapkan metode matematika Gibbs pada analisis proses kimia.

Cabang-bagian Termodinamika
Kajian tentang sistem termodinamika telah berkembang menjadi beberapa bidang terkait yang menggunakan dasar pemikiran yang berbeda-beda atau menerapkan prinsip-prinsip itu pada berbagai jenis sistem.

Termodinamika Klasik
Termodinamika klasik menggambarkan keadaan sistem termodinamika saat hampir mencapai keseimbangan. Ini menggunakan sifat-sifat yang bisa diamati dan diukur secara kasat mata. Pendekatan ini membantu kita memahami bagaimana energi, kerja, dan panas bertukar dalam sistem berdasarkan hukum-hukum termodinamika. Istilah "klasik" menunjukkan bahwa ini adalah pemahaman awal yang berkembang pada abad ke-19. Ini membahas perubahan sistem dalam hubungannya dengan hal-hal yang bisa diamati secara langsung (seperti ukuran besar).

Mekanika Statistik
Mekanika statistik, juga dikenal sebagai termodinamika statistik, muncul ketika ilmuwan mulai memahami bagaimana partikel-partikel kecil, seperti atom dan molekul, berinteraksi. Bidang ini menghubungkan bagaimana perilaku mikroskopis ini mempengaruhi sifat-sifat yang bisa diamati secara kasat mata. Ini membantu menjelaskan termodinamika klasik dengan cara yang lebih dalam, karena kita memahami lebih baik bagaimana partikel-partikel kecil ini berperilaku.

Termodinamika Kimia
Termodinamika kimia mempelajari hubungan antara energi dan perubahan yang terjadi dalam reaksi kimia atau perubahan fisik. Tujuannya adalah untuk mengetahui apakah suatu reaksi kimia akan terjadi dengan sendirinya atau membutuhkan dorongan tambahan.

Termodinamika Kesetimbangan
Termodinamika kesetimbangan melibatkan studi tentang bagaimana materi dan energi berpindah dalam sistem atau objek dari satu keadaan keseimbangan ke keseimbangan lainnya, yang dipengaruhi oleh lingkungan sekitarnya. Tujuannya adalah untuk memahami sistem ketika berada dalam kondisi keseimbangan dan bagaimana kondisinya berubah selama operasi termodinamika tertentu.

Termodinamika Non-Ekuilibrium
Termodinamika non-ekuilibrium mempelajari sistem yang tidak berada dalam keseimbangan termodinamika. Karena banyak sistem alami tidak berada dalam keadaan keseimbangan, kita perlu pendekatan yang lebih luas untuk menganalisis mereka. Ini membantu kita memahami bagaimana sistem yang terus-menerus berubah dan berinteraksi dengan lingkungannya.

Disadur dari:https://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamics