Apa itu termodinamik?
Entah berapa banyak pengistilahan yang kita ada hari ini datang daripada perkataan greek. Begitu jugalah dengan termodinamik iaitu yang datang daripada perkataan greek, "therme" yang bermaksud haba dan "dynamis" yang bermaksud kuasa.
Termodinamik (thermodynamics) adalah cabang fizik yang mengenai tenaga dan transformasi tenaga (energy transformation) daripada satu bentuk ke bentuk yang lain. Cabang sains yang bercorak emperik (empirical) ini juga mengkaji hubungan antara haba (heat) dan kerja (work). Termodinamik hanya melibatkan tindak balas sistem berskala besar yang hanya diperhatikan dan diukur dalam eksperimen.
Usaha untuk memahami transformasi tenaga kepada kuasa adalah dimulakan dengan tokoh ahli fizik seperti Carnot, Mayer, Kelvin, Rankin, Joule, Helmholtz dan Clausius. Setiap daripada mereka ini membawa kepada penubuhan yang dipanggil sebagai "Hukum Termodinamik".
Proses penukaran haba kepada kuasa mula-mula berdasarkan enjin haba, iaitu peranti yang menukar haba kepada kerja mekanikal. Enjin haba pertama telah dicipta oleh Thomas Savery pada tahun 1698, dan ia menggunakan wap untuk mengepam air keluar dari lombong. Kemudian, enjin haba telah diperbaiki oleh Thomas Newcomen, James Watt, dan Nicolas Léonard Sadi Carnot, etc.
Penerokaan kaedah ini bermula pada abad ke-19 dan ke-20, apabila saintis menemui prinsip di belakangnya. Sebagai contoh, kesan Seebeck (penukaran haba kepada elektrik melalui litar dua logam berbeza) ditemui oleh Thomas Johann Seebeck pada tahun 1821. Kesan Peltier (kesan berlawanan daripada menyejukkan atau memanaskan simpang dua logam berbeza dengan menggunakan arus elektrik) telah ditemui oleh Jean Charles Athanase Peltier pada tahun 1834. Pelepasan termionik (thermionic emission) (pelepasan elektron daripada permukaan logam yang dipanaskan) ditemui oleh Thomas Edison pada tahun 1883. Kesan fotovoltan (photovoltaic effect) (penukaran cahaya kepada elektrik oleh semikonduktor) ialah ditemui oleh Alexandre Edmond Becquerel pada tahun 1839. Kesan Nernst (penjanaan voltan oleh kecerunan suhu dalam bahan magnet) telah ditemui oleh Walther Nernst pada tahun 1886.
Termodinamik berasaskan kepada dua hukum am semula jadi iaitu hukum termodinamik pertama dan hukum termodinamik kedua. Hukum-hukum ini mengenakan sekatan terhadap cara bagaimana tenaga ditransformasikan. Namun ada lagi satu hukum yang hadir selepas kedua-dua hukum ini yang menjadi keperluan untuk kita pelajari iaitu hukum sifar termodinamik (The zeroth law of thermodynamics).
Tiba-tiba ada hukum sifar termodinamik
Saya mengenali hukum sifar termodinamik sewaktu sekolah menengah. Di sudut ruang info kecil dalam buku nota SPM ada menyatakannya. Sebagai budak fizik newbie, jarang didengari hukum sifar termodinamik. Selalunya kita mendengar hukum pertama termodinamik. Kini, saya menyambung kursus fizik, pensyarah juga menekankannya. Saya mempersoalkan mengapa begitu penting untuk mempelajari hukum sifar termodinamik, mengapa ia yang mendahului sebelum hukum pertama termodinamik?
Hal ini diterangkan oleh pensyarah saya sewaktu mengajar kursus termodinamik. Penomboran hukum termodinamik sebenarnya agak arbitrari (tidak berasaskan pertimbangan yang tertentu atau yang teliti), dan tidak ada susunan logik yang wujud kepada hukum itu sendiri. Hukum sifar biasanya diletakkan sebelum hukum pertama dalam sistem penomboran kerana ia dibangunkan kemudian daripada hukum pertama dan digunakan untuk membantu menentukan suhu, yang merupakan konsep asas dalam termodinamik.
Hukum pertama termodinamik, juga dikenali sebagai hukum keabadian tenaga (The law of conservation energy), menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan dan hanya boleh ditukar dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Ia adalah prinsip asas yang mendasari kebanyakan pemahaman kita tentang kelakuan tenaga dalam suatu sistem.
Sebaliknya, hukum sifar termodinamik adalah prinsip yang membantu kita memahami bagaimana keseimbangan terma diwujudkan antara objek atau sistem yang berbeza. Ia digunakan untuk menentukan suhu dan membantu kita memahami bagaimana haba mengalir antara objek atau sistem yang berbeza. Dalam khususnya, ia menyatakan bahawa jika dua sistem masing-masing berada dalam keseimbangan terma dengan sistem ketiga, maka ia juga berada dalam keseimbangan terma antara satu sama lain.
Secara keseluruhannya, penomboran hukum termodinamik tidak menggambarkan kepentingannya atau susunan di mana ia ditemui. Sebaliknya, ia hanyalah satu cara untuk mengatur dan merujuk kepada prinsip asas ini. Hukum sifar termodinamik akan dijelaskan dalam subtopik selanjutnya.
Kembali lagi kita dalam topik.. Ba dum tss, Tenaga.
Saya kira "tenaga" adalah perkara paling klise tetapi sampai sekarang saya tidak memahaminya secara mendalam. Itu yang menarik perhatian saya dan tidak pernah bosan mengenainya. Kita hanya dapat mendefinisikannya sebagai kuantiti dalam suatu sistem untuk melakukan kerja atau memindahkan haba. Dalam definisi lain adalah yada-yada-yada, *ayat ikut formula. Namun secara teknikalnya, tenaga ini adalah suatu peniskalan matematik dan merupakan hubungan fungsian dengan pembolehubah-pembolehubah atau koordinat-koordinat lain yang mempunyai tafsiran fizik dan juga yang dapat diukur. Misalnya, tenaga keupayaan bagi suatu jasad/objek adalah fungsi jisim (matter function) dan tingginya dari aras ufuk di suatu tempat tertentu dan tidak mempunyai realiti yang lain.
Klasiknya! Termodinamik
Termodinamik tidak membuat sebarang hipotesis (penjelasan mekanikal atau lain-lain) tentang struktur mikroskopik jirim (microscopic matter) mahupun kelakuan terma sistem. Sebaliknya, ia cuma bertujuan memberi hubungan-hubungan am antara sifat-sifat jirim tetapi tidak memberi magnitud sebenar untuk sifat-sifat itu. Hukum termodinamik secara mudahnya adalah generalisasi pengalaman bukan ditubuhkan secara teoritikalnya. Pergabungan antara termodinamik dengan teori kinetik jirim merupakan pendekatan yang berkesan untuk mengkaji sifat-sifat jirim. Termodinamik adalah pelengkap kepada teori kinetik dan termodinamik statistik yang mengkaji dalam peringkat mikroskopik.
Tiada ulasan:
Catat Ulasan