Muhammad Hilal Sudarbi | Sejarah Perkembangan Fisika
31
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.
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
Muhammad Hilal Sudarbi | Sejarah Perkembangan Fisika
32
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. 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
Muhammad Hilal Sudarbi | Sejarah Perkembangan Fisika
33
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, dan elektromagnetik menjadi satu sistem yang koheren. Karya ilmiah ini 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. 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.
Muhammad Hilal Sudarbi | Sejarah Perkembangan Fisika
34
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.
Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu: a) Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.
b) Hukum Pertama Termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.
c) Hukum kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.