SUHU DAN HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA

SUHU DAN HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA

Termodinamika

Kita sekarang mengarahkan perhatian kita untuk mempelajari termodinamika, yang melibatkan situasi di mana suhu atau keadaan (padat, cair, gas) dari sistem berubah karena transfer energi. Sebagaimana akan kita lihat, termodinamika sangat sukses dalam menjelaskan sifat sebagian besar materi dan korelasi antara sifat dan mekanisme atom dan molekul.

Secara historis, perkembangan termodinamika sejalan dengan perkembangan teori atom materi. Tahun 1820-an, percobaan kimia telah memberikan bukti kuat bagi keberadaan atom. Pada saat itu, para ilmuwan mengakui bahwa hubungan antara termodinamika dan struktur materi harus ada. Pada tahun 1827, ahli botani Robert Brown melaporkan bahwa butir serbuk sari ditangguhkan dalam sebuah langkah cair tak menentu dari satu tempat ke tempat lain seolah-olah di bawah agitasi konstan. Pada tahun 1905, Albert Einstein menggunakan teori kinetik untuk menjelaskan penyebab gerak ini yang tidak menentu, saat ini dikenal sebagai gerak Brown. Einstein menjelaskan fenomena ini dengan mengasumsikan butir berada di bawah pemboman konstan oleh  molekul "tak terlihat" di dalam cairan, yang dirinya sendiri bergerak tak menentu. Penjelasan ini memberi para ilmuwan wawasan konsep gerak molekular dan memberikan kepercayaan pada gagasan bahwa materi terdiri dari atom. Sambungan demikian ditempa antara dunia sehari-hari dan molekul yang sangat kecil, blok bangunan tak terlihat yang membentuk dunia ini.

Termodinamika juga membahas pertanyaan lebih praktis. Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana kulkas mampu mendinginkan isinya, atau apa jenis transformasi yang terjadi pada pembangkit listrik atau di mesin mobil Anda, atau apa yang terjadi dengan energi kinetik benda yang bergerak ketika objek datang untuk berhenti? Hukum termodinamika dapat digunakan untuk memberikan penjelasan untuk fenomena ini dan lainnya.

BAB  19

Suhu

19.1 Suhu dan Hukum Ke Nol Termodinamika
19.2 Termometer dan Skala Suhu Celcius
19.3 Thermometer Gas Konstan-Volume dan Skala Suhu Mutlak
19.4 Ekspansi Termal Benda Padat dan Cair
19.5 Gambaran Makroskopik dari Gas Ideal

Dalam studi mekanika kita, kita berhati-hati mendefinisikan konsep-konsep seperti massa, gaya, dan energi kinetik untuk memfasilitasi pendekatan kuantitatif kita. Demikian juga, deskripsi kuantitatif dari fenomena termal membutuhkan definisi cermat istilah penting seperti suhu, panas, dan energi internal. Bab ini dimulai dengan pembahasan suhu.

Selanjutnya, kita mempertimbangkan pentingnya ketika mempelajari fenomena termal dari zat tertentu yang sedang kita selidiki. Misalnya, gas lumayan diperluas ketika dipanaskan, sedangkan cairan dan padatan berkembang hanya sedikit.

Bab ini diakhiri dengan studi gas ideal pada skala makroskopis. Di sini, kita prihatin dengan hubungan antar besaran seperti tekanan, volume, dan suhu gas. Dalam Bab 21, kita akan memeriksa gas pada skala mikroskopis, menggunakan model yang mewakili komponen gas sebagai partikel kecil.

19.1 Suhu dan Hukum Ke Nol Termodinamika

Kita sering mengasosiasikan konsep suhu dengan seberapa panas atau dingin suatu benda terasa ketika kita menyentuhnya. Dengan cara ini, indra kita memberikan kita dengan indikasi kualitatif suhu. Indera kita, bagaimanapun, tidak dapat diandalkan dan sering menyesatkan kita. Misalnya, jika Anda berdiri dengan kaki telanjang dengan satu kaki di karpet dan lainnya di lantai ubin yang berdekatan, ubin terasa lebih dingin daripada karpet meskipun keduanya berada pada suhu yang sama. Kedua benda terasa berbeda karena ubin mentransfer energi dengan panas pada tingkatan yang lebih tinggi daripada karpet. Kulit Anda "mengukur" laju perpindahan energi panas daripada suhu aktual. Apa yang kita butuhkan adalah metode yang dapat diandalkan dan diperoleh untuk mengukur panas relatif atau dinginnya benda daripada laju transfer energi. Para ilmuwan telah mengembangkan berbagai termometer untuk membuat pengukuran kuantitatif tersebut.

Dua objek pada suhu awal yang berbeda akhirnya mencapai beberapa temperatur perantara ketika ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain. Misalnya, ketika air panas dan air dingin dicampur dalam bak mandi, energi ditransfer dari air panas ke air dingin dan suhu akhir campuran adalah suatu tempat antara suhu panas awal dan dingin.

Bayangkan bahwa dua benda ditempatkan dalam wadah terisolasi sehingga mereka berinteraksi satu sama lain tetapi tidak dengan lingkungan. Jika benda berada pada temperatur yang berbeda, energi yang ditransfer antara mereka, bahkan jika mereka awalnya tidak dalam kontak fisik dengan satu sama lain. Mekanisme transfer energi dari Bab 8 bahwa kita akan fokus pada panas dan radiasi elektromagnetik. Untuk tujuan diskusi ini, mari kita asumsikan dua benda berada dalam kontak termal dengan satu sama lain jika energi dapat dipertukarkan antara mereka dengan proses-proses karena perbedaan suhu. Kesetimbangan termal adalah situasi di mana dua benda tidak akan bertukar energi dengan panas atau radiasi elektromagnetik jika mereka ditempatkan dalam kontak termal. 

Mari kita mempertimbangkan dua benda A dan B, yang tidak dalam kontak termal, dan objek ketiga C, yaitu termometer kita. Kita ingin menentukan apakah A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Termometer (objek C) pertama kali ditempatkan dalam kontak termal dengan objek A sampai kesetimbangan termal adalah dicapai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1a. Sejak saat itu, pembacaan termometer tetap konstan dan kita mencatat hasil bacaan ini. Termometer tersebut kemudian dihilangkan dari objek A dan ditempatkan dalam kontak termal dengan objek B seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1b. Bacaan tersebut kembali dicatat setelah keseimbangan termal tercapai. Jika dua bacaan yang sama, kita dapat menyimpulkan bahwa objek A dan benda B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Jika mereka ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain seperti pada Gambar 19.1c, tidak ada pertukaran energi antara mereka.

Kita dapat meringkas hasil ini dalam sebuah pernyataan yang dikenal sebagai Hukum ke nol termodinamika (hukum keseimbangan):

Jika benda A dan B terpisah dalam kesetimbangan termal dengan benda C ketiga, maka A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.

Pernyataan ini dapat dengan mudah dibuktikan secara eksperimental dan sangat penting karena memungkinkan kita untuk menentukan suhu. Kita bisa memikirkan temperatur sebagai properti yang menentukan apakah sebuah benda dalam kesetimbangan termal dengan obyek lain. Dua benda dalam kesetimbangan termal dengan satu sama lain pada temperatur yang sama. Sebaliknya, jika dua benda memiliki temperatur yang berbeda, mereka tidak dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Kita sekarang tahu bahwa suhu adalah sesuatu yang menentukan apakah atau tidak akan mentransfer energi antara dua benda dalam kontak termal. Dalam Bab 21, kita akan menghubungkan suhu ke perilaku mekanik molekul (Serway,2010: 543-546).