1. Agar pembaca dan pelaku pendidikan dapat memahami sejarah perkembangan fisika, secara khusus pada perkembangan ilmu panas dan
4.3 Peristiwa-Peristiwa Penting Termodinamika
Pada dasarnya, termodinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang panas sebagai energi yang mengalir. Oleh karena itu, sejarah berkembangnya ilmu termodinamika berawal sejak manusia mulai ―memikirkan‖ tentang panas. Adalah Aristoteles (350 SM)seorang filsuf dan ilmuwan Yunani yang mengatakan bahwa panas adalah bagian dari materi atau materi tersusun dari panas. Konsep dan pemikiran Aristoteles tersebut seolah-olah menunjukkan bahwa apapun materi yang ada di alam ini tersusun atas panas.
Beberapa abad kemudian, penalaran yang dilakukan oleh Aristoteles diteruskan oleh Galileo Galilei (1593). Galileo berhipotesa bahwa panas adalah sesuatu yang dapat diukur. Hal itu dapat dibuktikan penemuannya berupa termometer air. Perlu diketahui bahwa konsep dan pemikiran Aristoteles bukanlah berdasarkan eksperimen namun merupakan teori yang dihasilkan berdasarkan intuisi dari pemikirannya. Berbeda dengan Aristoteles, Galileo mendasarkan teorinya dengan eksperimen yang dilakukan (walaupun percobaannya sangat bersifat sederhana) sehingga antara teori dan eksperimen saling mendukung satu sama lain. Setelah beberapa abad penemuan Galileo tersebut, Sir Humphrey Davy dan Count Rumford (1799)berhasil menyimpulkan bahwapanas adalah sesuatu yang mengalir. Kesimpulan ini mendukung prinsip kerja termometer, tapi membantah pernyataan Aristoteles. Jika dikaji dengan baik kita dapat menyimpulkan bahwa seharusnya Hukum Ke-Nol Termodinamikadirumuskan saat itu, tapi karena termodinamika belum berkembang sebagai ilmu, maka belum terpikirkan oleh para ilmuwan mengenai hukum yang bekerja ―pada panas yang mengalir‖ tersebut.
70
Pada tahun 1756 Joseph Black mengemukakan teorinya tentang panas atau yang lebih sering dikenal dengan Asas Black pada termodinamika. Eksperimen yang dilakukan Joseph Black yaitu pada proses pembekuan dan pendidihan air dan campuran air-alkohol yang mengawalinya pada konsep kalor laten leburan. Dia melakukan penelitian yang sama untuk kalor laten penguapan, yang merupakan awal dari konsep kapasitas kalor atau kalor spesifik.
Pada tahun 1778, Thomas Alfa Edison memperkenalkan mesin uap pertama yang mengkonvesi panas menjadi kerja mekanik. Selanjutnya, mesin tersebut disempurnakan oleh Sardi Carnot (1824). Saat itu, Cranot berupaya menemukan hubungan antara panas yang digunakan dan kerja mekanik yang dihasilkan. Hasil pemikirannya merupakan titik awal perkembangan ilmu termodinamika klasik dan beliau dianggap sebagai Bapak Termodinamika.
Pada 1802, Gay-Lussac pertama kali merumuskan hukum bahwa gas berkembang secara linear dengan tekanan tetap dan suhu yang bertambah (biasanya banyak dikenal sebagai Hukum Charles).
Pada tahun 1802 Joseph Louis Gay-Lussac menyelidiki pemuaian gas yang dipanaskan. Dia mengulangi percobaan Alexander Caesar Charles. Gay-Lussac menemukan bahwa bila gas dipanaskan pada tekanan tetap, volumenya bertambah besar sebanding dengan suhu mutlak. Bila suhunya dinaikkan dua kali lipat, maka volumenya bertambah dua kali lipat. Hukum ini ditemukan pada tahun 1787, tetapi Charles tidak mempublikasikannya dalam buku oleh karena itu,hukum itu kadang-kadang disebut hukum Gay Lussac. Pada 24 Agustus 1804 Gay Lussac dan Jean Baptiste Biot naik balon udara dan mencapai ketinggian 4000 m. Bulan berikutnya Gay Lussac sendirian naik balon udara dan mencapai ketinggian 7016 m, untuk menyelidiki berbagai macam tekanan dan suhu udara.
71
Pada tahun yang sama Julius Robert Mayer untuk pertama kali mengajukan bahwa kalor atau sering kita ucapkan sebagai panas merupakan salah satu bentuk energi. Mayer menyimpulkan bahwa di daerah tropis diperlikan lebih sedikit pembakaran makanan untuk menjaga agar tubuh konstan,dan panas dari pembakaran makanan itu lebih banyak dipakai untuk melaksanakan kerja dari individu.Jika ternyata kalor dapat diubah menjadi usaha,hal ini berarti bahwa keduanya merupakan bentuk energi. Mayer mempublikasikan pemikirannya itu tahun 1842.
Pada tahun 1845, James P. Joule merumuskan Hukum Kekekalan Energi, yaitu "Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan." Dia menyimpulkan bahwa panas dan kerja adalah dua bentuk energi yang satu sama lain dapat dikonversi. Kesimpulan ini didukung pula oleh Rudolf Clausius, Lord Kelvin (William Thomson), Helmhozt, dan Robert Mayer.
Selanjutnya, para ilmuwan ini merumuskan hukum pertama termodinamika (1850). Setahun sebelumnya, Lord Kelvin telah memperkenalkan istilah termodinamika melalui makalahnya: ―An Account of Carnot‘s Theory of the Motive Power of Heat‖.Buku pertama tentang termodinamika ditulis oleh William Rankine pada tahun 1859, inti dari buku yang ditulis oleh Rankine ―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 sistem‖.
Pada tahun 1824 Carnot menemukan dan merumuskan hukum kedua termodinamika dan memberikan model universal atas mesin panas, sebuah mesin, yang mengubah energi panas ke dalam bentuk energi lain, misalnya energi kinetik (sekarang bernama siklus Carnot). Untuk selanjutnya Sadi Carnot melalui teorinya itu meneruskan mesin uap buatan Thomas Alva Edison.
72
Setelah mempelajari mesin Carnot, Lord Kelvin, Planck, menyimpulkan bahwa pada suatu mesin siklik tidak mungkin kalor yang diterima mesin diubah semuanya menjadi kerja, selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. Hal ini karena adalah sifat sistem yang selalu menuju ketidakteraturan, entropi meningkat. Saat itu hukum kedua termodinamika diperkenalkan (1860). Menurut Clausius, besarnya perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem, ketika sistem tersebut mendapat tambahan kalor (Q) pada temperatur tetap dinyatakan melalui konsep berikut:
―total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya‖.
Pada volume tetap kesetimbangan dalam sebuah sistem akan cenderung berubah dalam arah untuk melawan perubahan suhu yang ditentukan pada sistem ini. Penurunan suhu menyebabkan lepasnya panas dan menaikkan suhu menyebabkan penyerapan panas. Asas kesetimbangan bergerak ini digeneralisasi 1885 oleh Henri Louis le Chatelier yang memperluas dengan perubahan volume untuk perubahan tekanan yang dipaksakan; ini dikenal sebagai asas van 't Hoff-Le Chatelier.
Selama tahun 1873-1976, fisikawan matematika Amerika Josiah Willard Gibbs menerbitkan tiga makalah, salah satunya adalah On the Equilibrium of Heterogeneous Substances. Makalah tersebut menunjukkan bahwa proses termodinamika dapat dijelaskan secara matematis, dengan mempelajari energi, entropi, volume, temperatur dan tekanan sistem, sedemikian rupa untuk menentukan apakah suatu proses akan terjadi secara spontan, Equilibrium Gibbs menandakan awal termodinamika kimia dengan
mengintegrasikan fenomena kimia, fisika, listrik,
73
memperkenalkan konsep-konsep seperti potensi kimia, aturan fase, dan lain-lain, yang membentuk dasar kimia fisik modern.
On the Equilibrium of Heterogeneous Substances awalnya diterbitkan di sebuah jurnal Amerika Serikat yang relatif kurang terkenal, yaitu Transactions of the Connecticut Academy, dalam beberapa bagian pada tahun 1875 sampai 1878 (meski sebagian besar sumber menyebut "1876" sebagai tahun penerbitannya).Karya ilmiah ini masih belum diketahui publik sampai akhirnya diterjemahkan ke dalam bahasa Jerman oleh Wilhelm Ostwald dan bahasa Perancis oleh Henry Louis Le Chatelier.
Pada abad ke-19, James P. Joule mempelajari cara memanaskan air dalam sebuah wadah menggunakan roda pengaduk dan membandingkan memanasnya air akibat putaran roda pengaduk dengan memanasnya air dalam wadah yang disentuhkan dengan nyala api atau sumber listrik. Berdasarkan percobaannya, Joule menyimpulkan bahwa panas atau kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu, seperti energi kinetik, energi potensial, energi kimia dll).Panas atau kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu.Jadi ketika panas atau kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan energi terhenti setelah benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama atau keseimbangan termal. Secara umum, proses perpindahan panas dapat diklasifikasikan dalam 3 cara yaitu, secara konduksi, konveksi dan radiasi.
Pada awal abad ke-20, ahli kimia seperti Gilbert N. Lewis, Merle Randall, dan EA Guggenheim mulai menerapkan metode matematis Gibbs tersebut untuk analisis proses kimia yang disebut termodinamika kimia. Pada tahun 1885, Boltzman menyatakan bahwa energi dalam dan entropi merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem.
74
Pernyataan ini mengawali berkembangnya termodinamika statistik, yaitu pendekatan mikroskopis tentang sifat termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel yang menyusunnya.
Termodinamika statistik merupakan cabang termodinamika yang menyediakan penafsiran tingkat molekul terhadapbesaran-besaran termodinamika seperti kerja, kalor, dan entropi. Masalah mendasar dalam termodinamika statistik adalah penentuan distribusi energi E di antara N sistem identik.Dasar-dasar termodinamika statistik ditetapkan oleh fisikawan seperti James Clerk Maxwell, W. Nernst, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius dan J. Willard Gibbs. Pada tahun 1906 Giauque dan W. Nernst merumuskan hukum ketiga termodinamika yaitu: ―pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum‖
Pada tahun 1911, Einstein menyatakan bahwa massa merupakan perwujudan dari energi (E=mc2). Hal ini kemudian dibenarkan oleh ilmuwan mekanika kuantum (1900-1940) bahwa radiasi sebagai bentuk energi bisa bersifat sebagai partikel. Pernyataan ini seakan-akan membenarkan penalaran Aristoteles sebelumnya bahwa materi = energi. Pada tahun 1950, para ilmuwan, seperti Carl Anderson menemukan adanya partikel antimateri yang bisa memusnahkan materi.
75
4.2 Tokoh-Tokoh Yang Berperan Dalam Perkembangan Ilmu Panas
Tokoh-Tokoh Yang Berperan Dalam Perkembangan Ilmu Panas
Nama Gambar Tokoh Hal Penting
Aristoteles 384 SM-322 SM
Aristoteles dilahirkan di kota Stagira, Macedonia, 384 SM. Nyaris tak terbantahkan, Aristoteles seorang filosof dan ilmuwan terbesar dalam dunia masa lampau. Dia memelopori penyelidikan ihwal logika, memperkaya hampir tiap cabang falsafah dan memberi sumbangsih tak terperikan besarnya terhadap ilmu pengetahuan.
Penting dari apa yang pernah dilakukan Aristoteles adalah pendekatan rasional yang senantiasa melandasi karyanya. Pendapat Aristoteles, alam semesta tidaklah
dikendalikan oleh serba kebetulan, oleh magi, oleh keinginan tak terjajaki kehendak dewa yang terduga, melainkan tingkah laku alam semesta itu tunduk pada hukum-hukum rasional.
Galileo-Galilei (15 Februari 1564 - 8 January 1642 )
Setelah pengamatannya selama berminggu-minggu tentang astronomi iamerangkum semua tulisannya dalam sebuah makalah yang berjudul The Starry Messenger yang diterbitkan pada bulan Maret 1610, berjumlah 500 eksemplar. Sumbangannya dalam termodinamika adalah pada 1593, Galileo berhasil menemukan salah satu alat ukur yang dapat digunakan dalam ilmu pengetahuan, yaitu thermometer.
76
Thermometer temuan Galileo ini terdiri dari sebuah gelembung udara yang dapat membesar atau mengecil karena perubahan temperature sehingga dapat menyebabkan lebel air naik atau turun.Meskipun alat ini tidak akurat karena tidak menghitung perubahan tekanan udara, tetapialat ini menjadi pelopor perkembangan alat-alat canggih.
Humphry Davy
17 Desember 1778 dan meninggal pada 29 Mei1929 di Geneva.
Di tahun 1807, dia berhasil memisahkan antara unsur kalium dengan narium. Dilanjut pada tahun berikutnya, yakni 1808, dia mampu memisahkan antara kalium, strontium, dan barium melalui elektrolisa padaelektroda air raksa. Dia jugalah yang menemukan lampu Davy yang aman digunakan untuk pertambangan.
Tahun 1820, Humphry Day diangkat menjadi presiden Royal Society. Humphry merupakan salah satu eksponen (orang yang menjabarkan) terbesar dalam bidang metode ilmiah. Teorinya tentang Elektrolis membuat namanya terkenal dikalangan Ilmuwan.
Benjamin Thompson (1753 – 1814)
-Kontribusinya yang terbesar pada dunia Fisika adalah pemikirannya tentang teori kalor. Pada akhir abad ke-18, teori kalori yang dipercaya adalah bahwa kalor merupakan fluida yang dapat mengalir ke dalam tubuh ketika dipanaskan dan mengalir keluar ketika didinginkan.
Penemuan-penemuan Thompson lainnya adalah kompor, oven, ketel ganda, dan pakaian penahan panas, serta mengembangkan cerobong asap dan tungku perapian yang ada.
77
Pada tahun 1804, Thompson menetap di Paris
dan menikah dengan Madame Lavoisier,
janda seorang ahli kimia Perancis, Antoine Lavoisier.
Joseph Black 16 April 1728 - 6 Desember 1799.
-Dia menemukan sesuatu yang disebutnya dengan fixed air (karbon dioksida).
Thomas Alva Edison 11 Februari 1847-18 Oktober 1931
Edison dipandang sebagai salah seorang pencipta paling produktif pada masanya, memegang rekor 1.093 paten atas namanya. Ia juga banyak membantu dalam bidang pertahanan pemerintahan Amerika Serikat. Beberapa penelitiannya antara lain : mendeteksi pesawat terbang, menghancurkan periskop dengan senjata mesin, mendeteksi kapal selam, menghentikan torpedo dengan jaring, menaikkan kekuatan torpedo, kapal kamuflase, dan masih banyak lagi.
Nicolas Leonardo Sadi Carnot 1 Juni1796 –
meninggal di Paris, 24 Agustus1832
-Carnot menemukan dan merumuskan hukum kedua termodinamika dan memberikan model universal atas mesin panas, sebuah mesin, yang mengubah energi panas ke dalam bentuk energi lain, misalnya energi kinetik (sekarang bernama siklus Carnot). Karyanya yang paling utama adalah "Réflexions sur la puissance motrice du feu" (Refleksi Daya Gerak Api); terbit tahun 1824. Di dalamnya termuat
78
sejumlah asas seperti siklus Carnot, mesin panas Carnot, teorema Carnot, efisiensi termodinamika, dll
Joseph Gay-Lussac -Selain terkenal karyanya pada sifat menggabungkan gas, Gay-Lussac juga bekerja pada penentuan kepadatan uap, dan koefisien ekspansi gas, di mana ia merintis prosedur, dan berkontribusi pada pengukuran kuantitatif hati bahwa dalam tahun kemudian begitu berguna untuk landasan teori kinetik gas dan fisika termal. Ia menerbitkan karyanya yang paling berpengaruh pada tahun 1808, hukum menggabungkan volume gas.
James Prescott Joule 24 Desember 1818 – meninggal di Greater Manchester, Inggris, 11 Oktober1889
Pada tahun 1840, James menerbitkan sebuah karya ilmiah tentang panas yang dihasilkan oleh arus listrik. Lalu pada tahun 1843, ia menerbitkan kelanjutan karya ilmiahnya tentang bagaimana mengubah kerja menjadi panas. Ia melakukan eksperimen menggunakan roda berpedal. Akhirnya dari situ James merumuskan konsep fisika mengenai kesetaraan energi mekanik dan energi panas.
Empat tahun kemudian dia menemukan teori Hukum Kekekalan Energi yang merupakan Hukum Termodinamiak yang pertama.
Pada tahun 1847 James bertemu dengan Lord Kelvin atau William Thomson, di acara diskusi sains. Lord Kelvin tertarik dengan penemuan-penemuan James dan karya-karya ilmiah yang pernah dipublikasikan. Ia pun mengajak James untuk bekerja sama. Dari kerja
79
samanya, maka lahirlah suatu konsep fisika yang disebutEfek Joule-Thomson. Efek Joule-Thomson lalu berkembang menjadi ilmu yang memelajari tentang sifat materi pada suhu sangat rendah. Ilmu itu disebut Kriogenik.
Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888)
Clausius adalah ahli fisika teori atau fisika murni. Ia tidak mengadakan experimen. Ia menerapkan matematika untuk membuat teori yang dapat menjelaskan Hasil
pengamatan dan exprimen orang lain. Hukum termodinamika II berbunyi : “Panas tidak dapat dengan sendirinya berpindah dari badan yang lebih dingin ke badan yang lebih panas”. Menurutnya di alam semesta terjadi decara terus – menerus perpindahan panas atau energi dari badan angkasa yang panas ke badan angkasa yang dingin.
Josiah Willard Gibbs 11 Februari 1839 dan meninggal 28
April 1903
Sebagai matematikawan ia adalah penemu analisis vektor. Ia adalah orang pertama di Amerika Serikat yang menerima Ph. D dalam teknik mesin (Universitas Yale). Ia adalah salah satu fisikawan teoretis di Amerika dan barangkali salah satu kimiawan teoretis awal. Gelar Gibbs Professorship of Physics and Chemistry dinamai menurut namanya.
Memasuki Universitas Yale, dan belajar di Paris, Berlin, dan Heidelberg. Ia ditawari jabatan guru besar dalam fisika matematika di University of Yale, penunjukan pertama di AS, dalam sebuah posisi tanpa gaji selama 10 tahun.
80 Jacobus Henricus
van't Hoff Lahir 30 Agustus 1852
Sumbangan terbesarnya ialah mengenai pengembangan hukum termodinamika umum pada hubungan antara perubahan tekanan dan pemindahan kesetimbangan sebagai akibat variasi suhu. Pada volume tetap
kesetimbangan dalam sebuah sistem akan cenderung berubah dalam arah untuk melawan perubahan suhu yang ditentukan pada sistem ini. Penurunan suhu menyebabkan lepasnya panas dan menaikkan suhu
menyebabkan penyerapan panas. Asas kesetimbangan bergerak ini digeneralisasi 1885 oleh Henri Louis le Chatelier yang memperluas dengan perubahan volume untuk perubahan tekanan yang dipaksakan; ini dikenal sebagai asas van 't Hoff-Le Chatelier
William Giauque (12 Mei 1985 - 28 Maret 1982)
Ketertarikannya pada Hukum Ketiga Termodinamika sebagai dasar risetnya selama pengamatan eksperimentalnya untuk mendapat gelar Ph.D dibawah Professor George Ernest Gibson membandingkan relative entropi Kristal gliserin dan kaca.
81 Walter Nerst
25 June 1864 – 18 November 1941)
Nerst banyak meneliti tentang tekanan osmosis dan elektrokimia. Pada 1905, dia mengukuhkuhkan apa yang disebutnya sebagai ―New Heat Theorem‖ yang kemudian dikenal sebagai Hukum Ketiga Termodinamika membuatnya memenangkan Hadiah Nobel dalam bidang Kimia pada tahun 1920. Nernst juga membantu mengembangkan dasarkimia fisis modern dan elektrokimia, dan persamaan fisika zat padat.Beliau juga dikenal lewat Persamaan Nerst. Pada 1924 ia menjadi Direktur Institute of Physical Chemistry at Berlin, dan pension pada 1933. Nerst kemudian bekerja untuk Elektroakustik dan Astrofisika.
82