Dasar-Dasar Teoritis Hukum III Termodinamika

Ada 3 hukum teori termodinamika :

1.   Hukum kekekalan energi : energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dihancurkan/dihilangkan. Tetapi dapat ditrasfer dengan berbagai cara. Contoh, Aplikasi: Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi. Semuanya hanya mentransfer energi, tidak menciptakan dan menghilangkan. Catatan : Dengan adanya kesetaraan massa dan energi dari Einstein, energi "seolah-olah" bisa diciptakan dari materi (massa). Sehingga sekarang diamandemen menjadi "Hukum kekekalan massa energi". Ketiga hukum tetmodinamika untuk energi jadi berlaku juga untuk massa.

2.   Hukum keseimbangan/kenaikan entropi : Panas tidak bisa mengalir dari material yang dingin ke yang lebih panas secara spontan. Entropi adalah tingkat keacakan energi. Jika satu ujung material panas, dan ujung satunya dingin, dikatakan tidak acak, karena ada konsentrasi energi. Dikatakan entropinya rendah. Setelah rata menjadi hangat, dikatakan entropinya naik. Contoh, Aplikasi : kulkas harus mempunyai pembuang panas dibelakangnya, yang suhunya lebih tinggi dari udara sekitar. Karena jika tidak panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang keluar.

3.   Hukum suhu 0 Kelvin (-273,15 Celcius): Teori termodinamika menyatakan bahwa panas (dan tekanan gas) terjadi karena gerakan kinetik dalam skala molekular. Jika gerakan ini dihentikan, maka suhu material tsb akan mencapai 0 derajat kelvin. Contoh, Aplikasi : Kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhu sangat rendah, karena tidak banyak keacakan gerakan kinetik dalam skala molekular yang menggangu aliran elektron.

Hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan hukum kekekalan energi. Hukum pertama termodinamika membahas hubungan antara kalor (Q), kerja (W) dan perubahan energi dalam (delta U). 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.

Contohnya buah mangga yang lezat dan ranum memiliki energi potensial gravitasi ketika sedang menggelayut pada tangkainya. Demikian juga ketika kita 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, dan sebagainya setelah muncul teori kinetik, dikatakan bahwa energi dalam bentuk lain tersebut (energi listrik, energi kimia, dll) 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 dianggap sebagai energi kinetik atau energi potensial dalam skala atomik.

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 kita 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.

Dalam hukum pertama termodinamika, kita diperkenalkan 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. Hukum pertama termodinamika adalah hukum kekekalan energi.

Hukum II Termodinamika, yang dianggap sebagai salah satu hukum dasar ilmu fisika, menyatakan bahwa pada kondisi normal semua sistem yang dibiarkan tanpa gangguan cenderung menjadi tak teratur, terurai dan rusak sejalan dengan waktu. Seluruh benda, hidup atau mati, akan aus, rusak, lapuk, terurai dan hancur. Akhir seperti ini mutlak akan dihadapi semua makhluk dengan caranya masing-masing dan menurut hukum ini, proses yang tak terelakkan ini tidak dapat dibalikkan.

Kita semua mengamati hal ini. Sebagai contoh, jika Anda meninggalkan sebuah mobil di padang pasir, Anda tidak akan menemukannya dalam keadaan lebih baik ketika Anda menengoknya beberapa tahun kemudian. Sebaliknya, Anda akan melihat bannya kempes, kaca jendelanya pecah, sasisnya berkarat, dan mesinnya rusak. Proses yang sama berlaku pula pada makhluk hidup, bahkan lebih cepat.

Hukum II Termodinamika adalah cara mendefinisikan proses alam ini dengan persamaan dan perhitungan fisika.

Hukum ini juga dikenal sebagai "Hukum Entropi". Entropi adalah selang ketidak teraturan dalam suatu sistem. Entropi sistem meningkat ketika suatu keadaan yang teratur, tersusun dan terencana menjadi lebih tidak teratur, tersebar dan tidak terencana. Semakin tidak teratur, semakin tinggi pula entropinya. Hukum Entropi menyatakan bahwa seluruh alam semesta bergerak menuju keadaan yang semakin tidak teratur, tidak terencana dan tidak terorganisir.

Keabsahan Hukum II Termodinamika atau Hukum Entropi ini telah terbukti, baik secara eksperimen maupun teoritis. Albert Einstein menyatakan bahwa Hukum Entropi akan menjadi paradigma yang sangat berpengaruh di periode sejarah mendatang. Ilmuwan terbesar di masa kita ini mengakuinya sebagai "hukum utama dari semua ilmu pengetahuan". Sir Arthur Eddington juga menyebutnya sebagai "hukum metafisika tertinggi di seluruh jagat".

Teori evolusi adalah klaim yang diajukan dengan sepenuhnya mengabaikan Hukum Entropi. Mekanisme yang diajukannya benar-benar bertentangan dengan hukum dasar fisika ini. Teori evolusi menyatakan bahwa atom-atom dan molekul-molekul tidak hidup yang tak teratur dan tersebar, sejalan dengan waktu menyatu dengan spontan dalam urutan dan rencana tertentu membentuk molekul-molekul kompleks seperti protein, DNA dan RNA. Molekul-molekul ini lambat laun kemudian menghasilkan jutaan spesies makhluk hidup, bahkan dengan struktur yang lebih kompleks lagi. Menurut teori evolusi, pada kondisi normal, proses yang menghasilkan struktur yang lebih terencana, lebih teratur, lebih kompleks dan lebih terorganisir ini terbentuk dengan sendirinya pada tiap tahapnya dalam kondisi alamiah. Proses yang disebut alami ini jelas bertentangan dengan Hukum Entropi.