Thermodinamika

Hukum Thermodinamika

Ada empat hukum thermodinamika dan beberapa efek dan hukum yang berkaitan yang diambil dari hukum itu. Hukum itu ditemukan sejak tahun 1824 sampai 1852 oleh ilmuwan seperti: Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1832), Rudolf Clausius (1822-1888), James Prescott Joule (1818-1889), William Thompson (Lord Kelvin) (1882-1907), dan James Clerk Maxwell (1931-1879). bersama-sama hukum termodinamika memberikan dasar teoritis dan matematis untuk merancang mesin yang mengubah panas menjadi gerak, seperti mesin berpembakaran internal dan mesin uap, dan untuk alat pendinginan. Yang tersirat dalam hukum itu adalah prinsip-prinsip tertentu, seperti penyimpanan energi, yang berperan terhadap dasar filosofis dari sains fisika abad 19.

Keempat hukum itu bisa dinvatakan secara sederhana sebagai berikut :

• Hukum pertama : Energi tidak bisa dihancurkan; panas dan gerak saling bergantian.

• Hukum kedua : Panas tidak bisa bergerak dari benda yang lebih dingin ke yang lebih panas.

• Hukum ketiga : Tidak mungkin untuk mendapatkan temperatur nol yang absolut.

• Hukum keenol : Suhu di antara dua sistem yang berdekatan cenderung sama atau mencapai entropi.

Banyak ilmuwan memainkan peran dalam penemuan dan penetapan hukum-hukum ini dan prinsip-prinsip yang berkaitan dengannya. Tetapi, pengaruh yang dimiliki oleh pengamatan ini terhadap rancangan mesin-mesin awal tetap terbuka untuk dibicarakan. Pekerjaan yang sangat praktis dalam menentukan mesin uap, dan mengembangkannya telah dilakukan dengan baik sebelum hukum-hukum ini ditetapkan. Fakta itu seringkali dikemukakan untuk mendukung argumen bahwa teknologi seringkali mendahului sains. Temuan dan hukum-hukum yang dikembangkan mengenai termodinamika itu menyebabkan munculnya banyak peralatan dan penemuan sehingga sekolah insinyur mulai memasukkan penemuan-penemuan dalam kurikulum mereka, dan para insinyur yang merancang mesin pada abad 20 biasanya memiliki pemahaman atas hukum-hukum ini.

Pengetahuan bahwa teknisi seperti mereka yang berada di firma Watt dan Boulton di Inggris merancang dan mengembangkan mesin-mesin tanpa dasar teoritis hampir-hampir digunakan untuk mengejek Sadi Carnot. Pada tahun 1824 dia menerbitkan “Relexions sur la puissance motrice du feu” (Gagasan tentang Kekuatan Motor Api). Dia memperkenalkan karyanya setelah mengamati bahwa para insinyur Inggris telah berhasil dalam membuat kemajuan terhadap mesin uap selama Perang Napoleon tanpa diuntungkan oleh sains dan sebagian besar tanpa pendidikan universitas. Sebagai tambahan atas karyanya yang telah diterbitkan itu, dia meninggalkan catatan tentang penelitian-penelitiannya, di mana ia menunjukkan perhatian yang sama untuk membawa sains yang bisa melahirkan rancangan mesin. Dia meninggal pada usia muda pada masa epidemi kolera.

Carnot memperhitungkan pengaruh-pengaruh yang akan terjadi dalam mesin uap ideal yang tidak terganggu gesekan. Mesin yang dirancang ini akan melewati siklus empat konversi panas menjadi energi. Meskipun mesin ini mustahil untuk dirancang, "Mesin Carnot" atau "Siklus Carnot" berguna ketika diterapkan sebagai batas atas teoritis untuk efisiensi perubahan energi yang bekerja di dalam mesin yang terhadapnya efisiensi yang sebenarnya bisa diperbandingkan. keempat siklus itu adalah :

1. Perluasan isothermik.
2. Perubahan adiabatik dan gerak menjadi kerja.
3. Kompresi ishothermik.
4. Perubahan adiabatik dari gerak yang kembali menjadi panas.

Dalam konteks ini isothermik mengacu kepada suhu yang tetapi adiabatik berarti tanpa panas sama sekali yang meninggalkan atau memasuki sistem. Carnot menyatakan bahwa panas dan kerja bisa saling mengisi. Dalam siklus Carnot yang ideal, tidak ada panas berarti tidak adanya gesekan atau lingkungan yang mengelilingi. Dengan demikian, 100% panas yang disediakan diubah menjadi kerja, atau 100% kerja diubah menjadi panas. James Prescott Joule memperkuat rumusan ini dan menyatakannya sebagai hukum thermodinamika pertama pada tahun 1843. prinsip khusus bahwa energi tidak bisa dihancurkan tetapi hanya diubah dari satu sistem ke sistem yang lain kadang kala dianggap sebagai hukum perubahan energi.

Hukum kedua, bahwa panas tidak bisa bergerak dari benda yang lebih dingin ke yang lebih panas, dikembangkan sebagai penemuan serempak oleh tiga ilmuwan: Rudolf Clasius, James Prescout Joule, dan William Thompson, seorang ahli fisika Irlandia. Clasius mengungkapkan prinsip itu pada tahun 1850. Joule mendemonstrasikannya melalui percobaan bahwa energi tidak tergantung kepada bahan-bahan yang ada dan unit energi, joule, yang diberi nama berdasarkan nama dirinya, sama dengan 4.2 kalori. Pada tahun 1848 William Thomson mengajukan skala suhu absolut dan pada tahun 1851 menyatakan bahwa teori Carnot tentang bisa saling bertukarnya panas dan kerja itu cocok selama panas tidak bisa melintas dari benda yang lebih dingin menuju ke yang lebih panas. Prinsip ini sama dengan yang telah dikembangkan oleh Clasius pada tahun 1850. Pada tahun 1852 Thompson menambahkan bahwa energi mekanis cenderung tidak teratur seperti halnya panas. Thompson dianugerahi gelar kebangsawanan pada tahun 1886, dan pada tahun 1892 dia diberi nama Baron Kelvin atau Lord Kelvin.

Untuk mendapatkan kerja yang bisa berguna dari penyediaan panas maka perlu untuk memiliki suhu yang tidak sama. Tetapi, di alam ketidaksamaan suhu secara konstan dikurangi oleh konduksi panas dan dalam beberapa cara lain. Tetapi dalam sistem yang tertutup dan terisolasi dengan perubahan yang tidak dapat dibalik, persediaan energi panas cenderung memicu kerja. Clasius menggunakan istilah entropi untuk menamai kebalikan dari menurunnya kemampuan energi untuk bekerja maka, dalam kondisi di mana sebuah sistem tidak diisolasi, entropi cenderung meningkat. Ketika persediaan energi dikurangi sampai tingkat minimal (atau entropi berada dalam tingkat maksimal), tidak ada kerja lagi yang bisa dilakukan oleh sistem itu. Hukum yang dibuat oleh Carnot dan Kelvin diutarakan dalam aljabar oleh Herman Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) dan Josiah Willaid Gibbs (1839-1903).

Dekade terakhir dari perkembangan ilmiah telah menuntun kita kepada pengenalan terhadap hukum universaI yang baru tentang semua fenomena alam.Hukum itu adalah hukum Konservasi Daya, sebuah istilah yang maknanya harus saya jelaskan dulu. Ini benar-benar baru; karena wilayah individual dari fenomena alam telah dijelaskan oleh Newton dan Daniel Bernoulli; dan Rumford maupun Humprey Davy telah mengetahui sifat-sifat yang berbeda dari kehadirannya dalam hukum panas. Kemungkinan bahwa ini merupakan aplikasi universal pertama kali diungkapkan oleh Dr. Julius Robert Mayer, seorang dokter Schwabian (sekarang tinggal di Heilborn) pada tahun 1842. Sementara itu, hampir bersamaan dengan,  dan secara mandiri, jarnes Prescott Joule seorang industrialis Inggris, membuat serangkaian percobaan penting dan sulit tentang hubungan panas dengan daya mekanika, yang memberikan titik utama di mana pembandingan atas teori baru itu dengan pengalaman masih tetap diperlukan.

Kelvin menyatakan bahwa temperatur nol absolut tidak bisa diperoleh melainkan hanya bisa didekati. Jumlah yang mendekati itu adalah 459.67 derajat di bawah nol Fahrenheit, belakangan dianggap sebagai nol Kelvin atau minus 273.15 derajat Fahrenheit. Prinsip bahwa suhu nol absolut tidak pernah bisa diperoleh adalah hukum thermodinamika yang ketiga.
Hukum "keenol" yang diajukan oleh James Clerk Maxwell pada tahun 1850-an, menyatakan bahwa dua sistem yang berdekatan cenderung sama suhunya. Melalui hukum thermodinamika kedua dan hukum "keenol", diyakini bahwa alam semesta ini mendekati entropi, istilah yang diperkenalkan oleh Clasius, yang berarti keadaan seimbang. Prinsip konservasi energi yang tersirat di dalam hukum thermodinamika menyatakan bahwa di dalam suatu sistem, jumlah energi itu tetap dan hanya bisa ditransformasikan dari satu jenis ke jenis yang lain.

Mesin diesel dan beberapa perkembangan dalam rancangan mesin uap pada akhir abad 19 bisa diakui sebagai penerapan prinsip thermodinamika dalam rancangan mesin. Namun, beberapa sarjana telah mengindikasikan bahwa perkembangan mesin pada abad 19 diambil dari karya para insinyur yang benar-benar tidak mengetahui prinsip atau rumusan thermodinamika dengan baik. Pendinginan ekspansi gas yang dikeluarkan melalui mulut pipa, yang diambil dari percobaan thermodinamika, memungkinan munculnya suhu yang sangat dingin dan penemuan akhir tentang suhu pembekuan dari semua gas.

Pengaruh sosial lainnya dan yang lebih luas dari penemuan hukum thermodinamika adalah menyebarnya konsep bahwa energi alam semesta itu secara perlahan-lahan menjadi entropi, mengarahkan kepada perhatian terhadap konservasi sumber-sumber daya. Konservasi dan penggunaan energi tersimpan dengan bijak dalam bentuk bahan bakar fosil didukung oleh prinsip-prinsip ini.

Hermann Helmholzt mereduksi prinsip konservasi energi menjadi rumusan matematis pada tahun 1847, dan memperluas konsep konservasi energi ke sistem biologis. Dia menyatakan bahwa kehidupan itu sendiri mengikuti hukum fisika yang sama sebagaimana sistem energi benda mati. Pada tingkat filosofis, di antaranya Herbert Spencer, berupaya dengan pertanyaan tentang apakah konservasi biologis dari energi memungkinkan fakta tentang munculnya manusia atau keberadaan yang telah diyakini tentang jiwa manusia. Keempat hukum thermodinamika itu tidak muncul untuk memungkinkan keterlibatannya dalam semesta materi dari sumber-sumber energi yang pada dasarnya seluruhnya imateri. Menurut logika ini, pikiran, keyakinan, gagasan atau moralitas tidak pernah bisa menjadi sumber tindakan fisik.