Termodinamika(1)

Hukum pertama termodinamika : pernyataan kekekalan energi

Pengantar

Dalam pembahasan sebelumnya gurumuda sudah menjelaskan secara panjang pendek mengenai Hukum Pertama Termodinamika. Konon katanya, hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan hukum kekekalan energi. Aneh ya, hukum pertama termodinamika khan hanya membahas hubungan antara kalor (Q), kerja (W) dan perubahan energi dalam (delta U). Lalu mengapa bisa disebut sebagai pernyataan hukum kekekalan energi ?

Bentuk-bentuk energi

Dalam kehidupan kita sehari-hari terdapat banyak bentuk energi. Pada pokok bahasan usaha dan energi, kita sudah berkenalan dengan dua bentuk energi mekanik, yakni energi potensial (potensial = tersimpan) dan energi kinetik (kinetik = gerak). Energi potensial terdiri dari beberapa jenis, di antaranya adalah EP gravitasi, EP elastis dan EP magnet. Energi kinetik terdiri dari dua jenis, yakni energi kinetik translasi dan energi kinetik rotasi.

Buah mangga yang lezat dan ranum memiliki energi potensial gravitasi ketika sedang menggelayut pada tangkainya. Demikian juga ketika dirimu berada pada ketinggian tertentu dari permukaan tanah, misalnya di atap rumah . Energi potensial gravitasi dimiliki benda karena posisi relatifnya terhadap bumi. Karet ketapel yang kita regangkan memiliki energi potensial elastis. Karet ketapel dapat melontarkan batu karena adanya energi potensial elastis pada karet yang diregangkan. Demikian juga busur yang ditarik oleh pemanah dapat menggerakan anak panah, karena terdapat energi potensial elastis pada busur yang diregangkan. Benda yang berada di dekat magnet memiliki energi potensial magnet. Ketika kita melepaskan benda yang kita pegang (paku, misalnya), dalam waktu singkat paku akan bergerak menuju magnet.

Selain energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki materi yang berukuran besar dan sering kita lihat  dalam kehidupan sehari-hari, terdapat juga bentuk energi yang lain. Ada energi listrik, energi nuklir, energi kimia, etc… setelah muncul teori kinetik, dikatakan bahwa energi dalam bentuk lain tersebut (energi listrik, energi kimia, dkk) merupakan energi kinetik atau energi potensial pada tingkat atom atau molekul. Energi kimia yang tersimpan dalam makanan dan bahan bakar dianggap sebagai energi potensial yang tersimpan dalam molekul, akibat adanya gaya listrik antara atom penyusun molekul (disebut juga sebagai ikatan kimia). Energi listrik, energi magnetik, energi nuklir juga dapat diangap sebagai energi kinetik atau energi potensial dalam skala atomik. Mengenai hal ini akan dibahas secara lengkap dalam episode berikutnya…

Perubahan bentuk energi

Perlu diketahui bahwa energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Pada tingkat makroskopis, kita bisa menemukan begitu banyak contoh perubahan bentuk energi. Buah mangga yang menggelayut di tangkainya memiliki energi potensial gravitasi. Pada saat buah mangga jatuh ke tanah, energi potensialnya berkurang sepanjang lintasan geraknya menuju tanah. Ketika mulai jatuh, energi potensial berkurang karena jarak vertikal buah mangga dari tanah makin kecil. EP tersebut berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi karena kecepatan buah mangga bertambah akibat percepatan gravitasi yang bernilai konstan. Energi potensial elastis yang tersimpan pada ketapel yang diregangkan dapat berubah menjadi energi kinetik translasi batu apabila ketapel kita lepas… busur yang melengkung juga memiliki energi potensial elastis. Energi potensial elastis pada busur yang melengkung dapat berubah menjadi energi kinetik translasi anak panah. Pada tingkat mikroskopis, kita juga bisa menemukan contoh perubahan bentuk energi. Ketika dirimu menyalakan lampu neon, pada saat yang sama terjadi perubahan energi listrik menjadi energi cahaya. Contoh lain adalah perubahan energi listrik menjadi energi gerak (kipas angin) dll. Proses perubahan bentuk energi listrik ini sebenarnya disebabkan oleh adanya perubahan antara energi potensial dan energi kinetik pada tingkat atom atau molekul.

Perubahan bentuk energi biasanya

melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lain

Perubahan bentuk energi biasanya melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya. Busur yang melengkung memiliki energi potensial elastis. Ketika busur dilepaskan, energi potensial elastis busur berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi anak panah. Pada saat yang sama, energi berpindah dari busur menuju anak panah. Ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi sepeda motor. Pada saat yang sama, energi berpindah dari dirimu menuju sepeda motor. Air di bagian atas bendungan memiliki energi potensial gravitasi. Ketika si air jatuh, energi potensial gravitasi air berubah menjadi energi kinetik translasi air. Selanjutnya air yang jatuh tadi menggerakan turbin. Ketika si air menggerakan turbin, energi kinetik translasi air berubah menjadi energi kinetik rotasi turbin. Pada saat yang sama, energi berpindah dari air menuju turbin.

Kerja selalu dilakukan ketika terjadi perpindahan energi

Pada masing-masing contoh yang telah gurumuda ulas sebelumnya, tampak bahwa perpindahan energi selalu disertai dengan adanya usaha alias kerja (Work). Ketika energi berpindah dari busur menuju anak panah, si busur melakukan kerja pada anak panah. Ketika energi berpindah dari dirimu menuju sepeda motor, dirimu melakukan kerja pada sepeda motor. Ketika energi berpindah dari air menuju turbin, air melakukan kerja pada turbin. Seandainya tidak ada kerja yang dilakukan, tidak mungkin anak panah bergerak ketika busur dilepaskan, sepeda motor butut yang lagi mogok juga tidak mungkin bergerak ketika didorong. Demikian juga dengan turbin. Tapi kenyataannya anak panah, sepeda motor mogok dan turbin bergerak. Dari kenyataan ini, bisa disimpulkan bahwa usaha alias kerja (W) selalu dilakukan ketika energi berpindah dari satu benda ke benda yang lainnya.

Walaupun sudah mengetahui dan meyadari sepenuh hati bahwa si energi selalu berubah bentuk dan bergentayangan dari satu benda ke benda yang lain, tetapi om-om ilmuwan belum bisa menyimpulkan bahwa energi itu kekal. Mereka macet ketika berhadapan dengan kalor alias panas. Biasanya kalor alias panas selalu muncul akibat adanya gesekan… Misalnya dirimu mendorong sebuah balok yang berada di atas lantai. Ketika mendorong balok, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi balok. Pada saat yang sama, energi berpindah dari dirimu menuju balok. Ketika energi berpindah dari dirimu menuju balok, dirimu melakukan kerja pada balok (W = Fs). Tentu saja si balok bergerak… Nah, setelah bergerak, balok biasanya berhenti… Balok berhenti akibat adanya gaya gesekan. Di mana ada gesekan, di situ ada kalor alias panas… coba gosokan/gesekan kedua telapak tanganmu. Kedua telapak tanganmu terasa panas khan ? hal yang sama terjadi pada balok. Permukaan lantai dan alas balok menjadi panas akibat adanya gesekan. Gesekan ini yang bikin si balok berhenti jalan-jalan. Gaya gesekan disebut juga sebagai gaya disipatif, karena gaya gesekan memperkecil atau melenyapkan energi mekanik total (energi mekanik = energi potensial + energi kinetik). Untuk kasus ini, gaya gesekan melenyapkan energi kinetik translasi balok. Energi kinetik balok berasal dari energi potensial kimia.

Kalau balok berhenti bergerak (v = 0), berarti energi kinetiknya lenyap dunk (EK = ½ mv² = 0). Energi kinetik translasi tadi kabur ke mana ? Kesimpulan sementara : energi tidak kekal.

Kalor alias panas = ?

Perlu diketahui bahwa sebelum abad kesembilan belas, tidak seorang ilmuwan pun yang tahu kalor alias panas itu sebenarnya apa… Seperti biasa, di mana ada kebuntuan dalam ilmu fisika, di situ muncul teori baru. Muncul sebuah teori yang mengatakan bahwa kalor alias panas itu sejenis zat tertentu (zat tersebut dijuluki caloric). Btw, keberadaan zat yang punya nama samaran caloric ini tidak bisa dibuktikan. Mulai akhir tahun 1830 (abad kesembilan belas), om James Joule (1818-1889) dan teman-temannya dalam pasukan ilmuwan kelas kakap mulai memainkan alat peraganya Berdasarkan eksperimen yang dilakukannya, om Jimi menemukan bahwa energi kinetik yang hilang selalu sama dengan kalor alias panas yang dihasilkan. Kalor maupun energi kinetik tidak ada yang bersifat kekal secara terpisah. Yang selalu kekal adalah jumlah total energi kinetik dan kalor… Salah satu eksperimen yang dilakukan oleh om Jimi Joule sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan sebelumnya. Berdasarkan hasil eksperimen yang diperolehnya, om Jimi Joule membuat perbandingan dengan perpindahan kalor yang biasa terjadi antara benda bersuhu tinggi (benda panas) dengan benda bersuhu rendah (benda dingin). Om Jimi Joule kemudian menyimpulkan bahwa kalor alias panas merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Ini adalah pengertian kalor dari sudut pandang makroskopis. Dari sudut pandang mikroskopis, kita bisa menjelaskan kalor menggunakan teori kinetik. Dalam pokok bahasan teori kinetik gas, kita belajar bahwa suhu suatu benda merupakan ukuran dari energi kinetik molekul-molekul penyusun benda tersebut. Semakin tinggi suhu benda, semakin besar energi kinetik molekul-molekul penyusun benda. Energi kinetik berkaitan dengan kecepatan gerak. Semakin besar energi kinetik (EK besar) molekul-molekul, semakin besar kecepatan gerak (v besar) molekul-molekul. Nah, apabila kita menyentuhkan benda yang bersuhu tinggi (benda panas) dengan benda yang bersuhu rendah (benda dingin), secara otomatis kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Adanya tambahan kalor menyebabkan benda yang dingin bertambah panas… Ketika bertambah panas (suhu benda meningkat), energi kinetik molekul-molekul penyusun benda tentu saja semakin besar (kecepatan gerak molekul makin besar). Dengan demikian, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor alias panas sebenarnya merupakan energi kinetik molekul-molekul yang bergerak cepat…

Setelah mengetahui bahwa kalor alias panas merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (pengertian makroskopis) atau kalor merupakan energi kinetik molekul-molekul yang bergerak cepat (pengertian mikroskopis), akhirnya para ilmuwan dengan penuh semangat merumuskan hukum kekekalan energi.

Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, berpindah dari satu benda ke benda yang lain, tetapi energi total tidak pernah berkurang atau bertambah. Istilah gaulnya, energi selalu kekal… Ini adalah pernyataan hukum kekekalan energi. Jangan pake hafal…

Terus hubungannya sama hukum pertama termodinamika gmn sich ? hubungan mereka baik2 saja… hiks2…

Sebelumnya sudah dijelaskan bahwa perubahan bentuk energi biasanya melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya. Setiap perpindahan energi selalu disertai dengan adanya usaha alias kerja (Work). Dari hasil eksperimen dan analisis para ilmuwan, diketahui bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (pengertian makroskopis) atau kalor merupakan energi kinetik molekul-molekul yang bergerak cepat (pengertian mikroskopis). Kita bisa mengatakan bahwa kerja (W) dan kalor (Q) terlibat dalam perpindahan energi. Hukum pertama termodinamika yang sudah kita pelajari dalam pokok bahasan sebelumnya merupakan hukum yang menjelaskan perpindahan energi yang melibatkan kalor dan kerja. Ingat ya, kalor dan kerja bukan suatu bentuk energi. Kalor dan kerja hanya terlibat dalam perpindahan energi antara benda dengan benda, antara benda dengan makhluk hidup atau antara makhluk hidup dengan makhluk hidup…

Dalam hukum pertama termodinamika, kita berkenalan dengan sebuah besaran baru, yakni energi dalam (U). Energi dalam merupakan jumlah total energi kinetik molekul-molekul dan energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara atom-atom penyusun molekul atau interaksi antara molekul-molekul penyusun suatu benda atau makhluk hidup… Setiap benda tersusun dari atom-atom atau molekul-molekul. Dengan demikian, setiap benda yang ada di alam semesta ini pasti punya energi dalam. Setiap proses perpindahan energi yang melibatkan Kalor dan Kerja akan mengakibatkan perubahan energi dalam. Hal ini yang kita bahas dalam hukum pertama termodinamika. Jadi dirimu jangan pake heran kalau ada orang yang mengatakan bahwa hukum pertama termodinamika = hukum kekekalan energi. Mudah-mudahan penjelasan panjang pendek dan bertele-tele sebelumnya membantumu memahami hal ini… Jika bingung berlanjut, silahkan hubungi dokter terjauh

Perlu diketahui bahwa istilah sistem dan lingkungan yang kita pakai dalam termodinamika sebenarnya hanya membantu analisa kita saja… Pada dasarnya energi berpindah dari satu benda ke benda lain, dari satu makhluk hidup ke makhluk hidup lain. Tapi alangkah baiknya jika kita batasi saja hal-hal yang mau kita selidiki dan hal-hal lain yang tidak kita selidiki. Kita menyebut benda-benda yang diselidiki sebagai sistem, sedangkan benda yang lain kita beri julukan lingkungan… Sekian dan sampai jumpa lagi pada episode berikutnya…

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga