Sejarah Penemuan Termodinamika

A.    Sejarah Penemuan Termodinamika

Istilah termodinamika sering kali kita dengar didalam kehidupan kita. Setiap perbendaharaan kata yang sering kita gunakan itu tentunya memiliki arti dan makna tersendiri. Begitupun kata termodinamika, seperti yang dikatakan oleh Widoyo. (2011:1), “Termodinamika (bahasa Yunani: thermos= ‘panas’ and dynamic= ‘perubahan’) adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses”.

Hubungan-hubungan yang ada dalam termodinamika itu berasal dari mekanika statistik, oleh sebab itu banyak sekali keterkaitan antara termodinamika dan mekanika statistik, bahkan terdapat beberapa kajian yang sama seperti pandangan terhadap suatu sistem. Pada sebuah sistem dimana terjadi suatu proses perubahan wujud atau pertukaran energi, ternyata termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kecepatan suatu proses reaksi berlangsung atau biasa kita sebut kinetika reaksi. Karena hal tersebut, istilah “termodinamika” biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dari itu, dapat kita katakan bahwa termodinamika merupakan cabang fisika yang mempelajari mengenai hubungan antara panas dengan energi.

Pada dasarnya, seperti yang telah dijelaskan diatas bahwa termodinamika merupakan ilmu yang yang mempelajari tentang panas sebagai energi yang mengalir. Karena itu, sejarah perkembangan ilmu termodinamika berawal sejak manusia “memikirkan” tentang panas.

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.

Tranformasi Nuklir (2) : Fusi dan Fisi

Tranformasi Nuklir (2) : Fusi dan Fisi

Dalam fisika, fusi nuklir (reaksitermonuklir) adalah sebuah proses saat dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi. Fusi nuklir adalah sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar, dan Bom Hidrogen meledak. Senjata nuklir adalah senjata yang menggunakan prinsip reaksi fisi nuklir dan fusi nuklir. Proses ini membutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan inti nuklir, bahkan elemen yang paling ringan, hidrogen. Tetapi fusi inti atom yang ringan, yang membentuk inti atom yang lebih berat dan neutron bebas, akan menghasilkan energi yang lebih besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan mereka — sebuah reaksi eksotermik yang dapat menciptakan reaksi yang terjadi sendirinya.

Dikenal dua reaksi nuklir, yaitu reaksi fusi dan reaksi fisi. Reaksi fusi adalah reaksi peleburan dua atau lebih inti atom menjadi atom baru dan menghasilkan energi, juga dikenal sebagai reaksi yang bersih. Reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti atom akibat tubrukan inti atom lainnya, dan menghasilkan energi dan atom baru yang bermassa lebih kecil, serta radiasi elektromagnetik. Reaksi fusi juga menghasilkan radiasi sinar alfa, beta dan gamma yang sangat berbahaya bagi manusia. Contoh reaksi fusi nuklir adalah reaksi yang terjadi di hampir semua inti bintang di alam semesta. Senjata bom hidrogen juga memanfaatkan prinsip reaksi fusi tak terkendali. Contoh reaksi fisi adalah ledakan senjata nuklir dan pembangkit listrik tenaga nuklir.  Unsur yang sering digunakan dalam reaksi fisi nuklir adalah Plutonium dan Uranium (terutama Plutonium-239, Uranium-235), sedangkan dalam reaksi fusi nuklir adalah Lithium dan Hidrogen (terutama Lithium-6, Deuterium, Tritium).

Reaksi Fisi

Sesaat sebelum perang dunia kedua beberapa kelompok ilmuwan mempelajari hasil reaksi yang diperoleh jika uranium ditembak dengan neutron. Otto Hahn dan Strassman, berhasil mengisolasi suatu senyawa unsure golongan IIA, yang diperoleh dari penembakan uranium dengan neutron. Mereka menemukan jika uranium ditembak dengan neutron akan menghasilkan beberapa unsure menengah yang bersifat radioaktif. Reaksi ini disebutreaksi fisi atau reaksi pembelahan inti. Dari reaksi pembelahan inti dapat dilihat bahwa setiap pembelahan inti oleh satu netron menghasilkan dua sampai empat netron.Setelah satu atom uranium-235 mengalami pembelahan, netron hasil pembelahan dapat digunakan untuk pembelahan atom uranium-235 yang lain dan seterusnya sehingga dapat menghasilkan reaksi rantai. Hal ini terjadi dalam bom atom. Agar pembelahan inti dapat menghasilkan reaksi rantai, bahan pembelahan ini harus cukup besar sehingga neutron yang dihasilkan dapat tertahan dalam cuplikan itu. Jika cuplikan terlampau kecil, netron akan keluar sehingga tidak terjadi reaksi rantai. Pembelahan inti selalu menghasilkan energy kira-kira 200 MeV pada setiap pembelahan inti. Energy yang dihasilkan pada pembelahan 235 gr uranium-235 ekivalen dengan energy yang dihasilkan pada pembakaran 500 ton batubara.

Reaksi Fusi

Fusi nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah proses di mana dua inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi. Fusi kebalikan dari fisi, adalah penyatuan dua inti ringan menjadi inti yang lebih berat dan menggunakan energi pengikat yang dilepaskan. Namun, untuk mencapai hal ini secara terkendali sangat tidak mudah. Ini karena inti bermuatan listrik positif dan bertolakan satu sama lain dengan kuat jika dipaksa bersatu. Karena itu, sebuah gaya yang cukup kuat diperlukan untuk mengatasi gaya repulsif di antara mereka agar fusi terjadi. Energi kinetik yang dibutuhkan ini setara dengan temperatur sekitar 20-30 juta ⁰C. Temperatur ini luar biasa tinggi sehingga tidak ada satu pun benda padat untuk menampung partikel-partikel yang akan terlibat dalam reaksi fusi ini tahan terhadapnya. Jadi, tidak ada satu mekanisme pun di dunia yang dapat merealisasikan fusi kecuali panas dari bom atom.

Proses ini membutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan inti nuklir, bahkan elemen yang paling ringan, hidrogen. Tetapi fusi inti atom yang ringan, yang membentuk inti atom yang lebih berat dan neutron bebas, akan menghasilkan energi yang lebih besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan mereka -- sebuah reaksi eksotermik yang dapat menciptakan reaksi yang terjadi sendirinya.

Reaksi fusi terjadi di matahari sepanjang waktu. Panas dan sinar yang datang dari matahari adalah hasil fusi antara hidrogen dan helium, dan energi dilepaskan sebagai ganti materi yang hilang selama perubahan ini. 

SIFAT GELOMBANG DARI PARTIKEL

SIFAT GELOMBANG DARI PARTIKEL

Di paruh pertama abad 20, mulai diketahui bahwa gelombang elektromagnetik, yang sebelumnya dianggap gelombang murni, berperilaku seperti partikel (foton).

1.      Gelombang de Broglie

Ingat bahwa photon memiliki energi E=hf, momentum p=h/λ, dan panjang gelombang λ=h/p. De Broglie mempostulatkan bahwa persamaan diatas berlaku juga untuk partikel. Secara khusus, partikel dengan masa m dan momentum p memiliki panjang gelombang de Broglie . Jika partikel bergerak cukup cepat sehingga perhitungan relativistik diperlukan, maka gunakan persamaan relativistik momentum: 

2.      Fungsi gelombang

Sesuatu dimana variasinya membentuk gelombang partikel adalah fungsi gelombang function, Ψ ("psi", biasa dibaca "si"). Fungsi gelombang dari partikel bukan sesuatu yang dapat dilihat atau dirasakan. Dia tidak memiliki arti fisik yang “langsung”. Secara umum, Ψ adalah fungsi dari posisi (x,y,z) dan waktu. Probabilitas untuk menemukan objek yang dinyatakan dengan Ψ pada posisi (xyz) pada waktu t adalah sebanding dengan harga Ψ*Ψ disana.

3.      kecepatan gelombang de Broglie

·         Momentum benda bergerak dihubungkan dengan kecepatan yang terukur lewat p = mv

·         Pada sisi lain, de Broglie mengatakan bahwa benda yang bergerak memiliki momentum dan panjang gelombang yang dihubungkan oleh p = h/λ

·          Maka secara logika kecepatan gelombang de Broglie (sebut saja vp) harus sama dengan v

4.      Kecepatan Fasa dan Group

Group gelombang adalah superposisi dari gelombanggelombang yg berbeda. Gelobang berinterferensi untuk menghasilkan suatu bentuk dari grup. Karena kecepatan gelombang de Broglie bervariasi thd λ, masing-masing gelombang bergerak dgn kecepatan berbeda dengan kecepatan group. Beiser menghitung kecepatan penjalaran, vg, dari grup sederhana yang dibuat dari dua gelombang sinus.  Dua gelombang adalah jumlah minimal yang dibolehkan untuk membuat gelombang "paket" atau "grup."

5.      Diffraksi Partikel

Diffraksi adalah perilaku gelombang. Penjelasan diffraksi partikel dengan menggunakan cara klasik sangatlah sulit. Diffraksi partikel hanya dapat dijelaskan dengan mekanika kuantum.

Diffraksi konstruktif Bragg

·         Puncak pola diffraksi adalah orde ke 1 interferensi konstruktif : dsin φ = 1λ

·         dimana φ = 50o untuk V = 54 V

·         Dari eksperimen diffraksi Bragg x-ray yang dilakukan terpisah, kita mengetahui bahwa d = 2.15 A

·         Sehingga panjang gelombang elektron adalah λ = dsinθ = 1.65 A

·          1.65 A adalah hasil yg diperoleh dari eksperimen dan harus dicek dengan harga yang diprediksi secara teoritis oleh de Broglie

6.      Partikel dalam Box

Interferensi konstruktif terjadi bila panjang box adalah kelipatan integer dari ½ panjang gelombang dari gelombang partikel (L=nλ/2), sehingga panjang gelombang Broglie dari partikel yang terkrung adalah :

7.      Prinsip ketaktentuan

grup gelombang dibentuk oleh penjumlahan banyak gelombang yang berbeda ω dan k-nya sebesar Δω dan Δk (atau ekuivalen dgn Δλ)