KAJIAN KONSEP TERMODINAMIKA BERDASARKAN FILSAFAT YANG MENDASARI DAN IMPLIKASI DALAM PEMBELAJARAN FISIKA
MAKALAH UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH FILSAFAT DAN DIDAKTIF FISIKA yang dibina oleh Ibu Dr. Lia Yuliati, M.Pd
Disusun Oleh: 1. Dinda Taruna Nagara
(180321864502) (180321864502)
2. Elok Faiqatul Himmah
(180321864520) (180321864520)
3. Nur Lailatin Nisfah
(180321864524) (180321864524)
UNIVERSITAS NEGERI MALANG PASCASARJANA PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA NOVEMBER 2018
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan Rahmat, Taufiq serta Hidayah-Nya, sehingga penulis bisa menyelesaikan Makalah “ kajian
konsep termodinamika berdasarkan filsafat yang mendasari dan implikasidalam pembelajaran fisika” fisika ”. Shalawat serta salam senantiasa penulis panjatkan kepada junjungan Nabi besar, sang revolusioner Islam Muhammad SAW yang telah membimbing umat manusia dari kegelapan menuju jalan yang terang dengan adanya adanya Islam, Iman dan Ihsan. Makalah ini hadir untuk memenuhi tugas mata kuliah “Filsafat dan Diktatik Fisika” yang di ampu oleh ibu Dr. Lia Yuliati, M.Pd.Tak ada gading yang tak retak, begitu pula makalah ini yang masih jauh dari kesempurnaan. Maka dari itu, kritik dan saran sangatlah dibutuhkan sebagai sebuah koreksi dan introspeksi diri yang nantinya dapat berguna bagi penulis pribadi dan bagi masyarakat pada umumnya. Semoga Penulis berharap dapat mengkorelasikan antara kebenaran pribadi dan kebenaran umum yang nantinya menjadi bahan pertimbangan yang dapat membangun kepribadian penulis.
Malang, 10 November 2018
Penulis
.
DAFTAR ISI
Kata Pengantar
i
Daftar Isi
ii
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang
1
B. Rumusan Masalah
2
C. Tujuan
2
BAB II PEMBAHASAN A. Pengertian Termodinamika
3
B. Perkembangan Hukum Pertama Termodinamika
3
C. Perkembangan hukum pertama termodinamika berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika ...................................5 D. Perkembangan Teori Kinetik Gas berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika ...........................................................10 E. Perkembangan hukum Kedua termodinamika berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika ...................................17 BAB III PENUTUP A. Simpulan
21
B. Saran
21
DAFTAR PUSTAKA
22
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Termodinamika merupakan ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Seperti telah diketahui bahwa energi didalam alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnit, energi akibat gaya magnit, dan lain-lain . Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energy. Termodinamika sendiri telah banyak digunakan dalam perkembangan teknologi saat ini. Diantaranya mesin uap, refrigator atau mesin pendingin dan juga dalam teknologi kimia.Pentingnya ilmu termodinamika dapat dilihat dari bagaimana ilmu tersebut sudah diajarkan sejak dari SMA. Dengan harapan dalam mempelajari ilmu termodinamika, siswa dapat mengetahui berbagai macam kegunaan dan aplikasinya dalam kehidupan. Materi termodinamika yang kami bahasa dalam makalah ini yaitu temperature, hukum pertama termodinamika, energy kinetic gas dan hukum kedua termodinamika. Dalam mempelajari sebuah ilmu, kita pasti tidak dapat terlepas dari aliranaliran filsafat. Begitu juga dalam mempelajari ilmu termodinamika. Ada beberapa macam aliran filsafat yang menurut kelompok kami sesuai dalam melandasi materimateri dalam termodinamika yang kami bahas dalam makalah ini. Berdasarkan latar belakang masalah di atas, maka kami akan menyusun makalah mengenai konsep-konsep dala termodinamika yang dikaitkan dengan aliran filsafat serta implementasinya dalam pembelajaran fisika.
1
B. Rumusan Masalah
1. Bagaimanan Pengertian Termodinamika? 2. Bagaimana Perkembangan Ilmu Termodinamika? 3. Bagaimana perkembangan hukum pertama termodinamika berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika? 4. Bagaimana perkembangan teori kinetik gas berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika ? 5. Bagaimana perkembangan hukum kedua termodinamika berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika? C. Tujuan
1.
Mengetahui Pengertian Termodinamika.
2.
MengetahuiPerkembangan Ilmu Termodinamika.
3.
Mengetahui perkembangan hukum pertama termodinamika berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika.
4.
Mengetahui perkembangan teori kinetik gas berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika.
5.
Mengetahui perkembangan hukum kedua termodinamika berdasarkan aliran filsafat yang mempengaruhi dan implikasi dalam pembelajaran fisika.
2
BAB II PEMBAHASAN A. Pengertian Termodinamika
Kata Temodinamika merupakan kata yang berasal dari Bahasa Yunani yaitu thermos yang bermakana panas dan dynamic yang bermakan perubahan. Temodinamika merupakan salah satu cabang dari ilmu fisika yang mengkaji mengenai perpindahan kalor sebagai bentuk energi dan kerja, sistem dan lingkungan. Termodinamika dikenalkan dalam beberapa hukum, hukum-hukum tersebut yaitu hukum I Termodinamika yang diketahui sebagai hukum kekekalan energi, hukum ini ditemukan di tahun 1850. Kedua, hukum II Termodinamika yang menyatakan arah reaksi sistem. Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas menjadi benda dingin. Hukum tersebut ditemukan di tahun 1824. Terakhir, hukum III
Termodinamika
yang
membahas
mengenai
sifat
sistem
berada
pada
kesetimbangan di temperature nol mutlak, hukum tersebut ditemukan di tahun 1906. Selain ketiga hukum tersebut, termodinamika juga mengenal konsep kerja dari mesin Carnot, azas Black, kalor laten, suhu, energi entropi, energi gibbs, dan lainlain. Tokoh yang berperan penting dalam penemuan tersebut yaitu Joseph Black, Benjamin Thompson (Count Rumford), Sadi Carnot, Rudolf Clausius dan ilmuwan lainnya. Makalah ini membahas berkaitan dengan hukum I, huku, II dan hukum III. B. Perkembangan Hukum Pertama Termodinamika
Prinsip dari temodinamika adalah energi dalam bentuk panas mengalir dari suatu keadaan tertentu. Dalam perkembangannya, ilmu termodinamika diperoleh dari pemikiran mengenai panas. Perkembangan tersebut secara singakat dapat dirangkum sebagai berikut. NO TAHUN
TOKOH
1
350 SM
Aristoteles
2
1593
Galileo Galilei
URAIAN Panas adalah bagian dari materi atau materitersusun dari panas panas adalah sesuatu yang dapat diukur
3
3
4
1778
Thoma Alfa Edison
1799
Sir Humphrey Davy dan Count Rumford
5
1824
Sadi Carnot
6
1845
James P. Joule
7
1850
James P. Joule
8
1851
Lord Kelvin
9
1859
William Rankine
10
1860
11
1873 -
denganpenemuannya berupa termometer air Memperkenalkan mesin uap pertama yangmengkonvesi panas menjadi kerja mekanik Panas adalah sesuatu yang mengalir. Hal inimendukung prinsip kerja termometer , namunmembantah pernyataan Aristoteles. Menyempurnakan mesin uap dan berupayamenemukan hubungan antara panas yangdigunakan dan kerja mekanik yang dihasilkan(Titik awal berkembangnya ilmu termodinamikaklasik) Bapak Termodinamika Panas dan kerja adalah dua bentuk energi yangsatu sama lain dapat dikonversi. Kesimpulan inididukung pula oleh Rudolf Clausius, Lord Kelvin(William Thomson), Helmhozt, dan RobertMayer Perumusan hukum pertama termodinamika Memperkenalkan istilah termodinamika melaluimakalahnya: An Account of Carnot’s Theory ofthe Motive Power of Heat. Buku pertama tentang termodinamika
Setelah mempelajari mesin Carnot, Lord KelvinPlanck, dan menyimpulkan bahwa pada suatumesin siklik tidak mungkin kalor yang diterimamesin diubah semuanya menjadi kerja, selalu adakalor yang dibuang oleh mesin. Hal ini karenaadalah sifat sistem yang selalu menujuketidakteraturan, entropi (S) meningkat. Saat ituhukum kedua termodinamika diperkenalkan(1860). Clausius Perumusan hukum kedua termodinamikaMenurut Clausius, besarnya perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem, ketika sistem tersebut mendapat tambahan kalor (Q) pada temperatur tetap dinyatakan melalui persamaan dibawah : “total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya” Amerika Josiah menerbitkan tiga makalah, salah satunya
4
12
13
1976
Willard Gibbs
Awal abad ke - 20
Gilbert N. Lewis, Merle Randall, dan EA Guggenheim
1885
Boltzman
Giauque dan W. Nernst
14
1906
15
1911
Einstein
16
1900 1940
Ilmuwan Mekanika Kuantum
17
1950
Carl Anderson
adalahOn the Equilibrium of HeterogeneousSubstances.Makalah tersebut menunjukkan bahwa prosestermodinamika dapat dijelaskan secaramatematis, dengan mempelajari energi, entropi,volume, temperatur dan tekanan sistem sedemikian rupa untuk menentukan apakah suatuproses akan terjadi secara spontan. mulai menerapkan metode matematis Gibbstersebut untuk analisis proses kimia yang disebuttermodinamika kimia. energi dalam dan entropi merupakan besaranyang menyatakan keadaan mikroskopis sistem.Pernyataan ini mengawali berkembangnyatermodinamika statistik, yaitu pendekatanmikroskopis tentang sifat termodinamis suatu zatberdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel yang menyusunnya. merumuskan hukum ketiga termodinamika. “pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum” massa merupakan perwujudan dari energi (E=mc2). radiasi sebagai bentuk energi bisa bersifat sebagai partikel. Pernyataan ini seakan-akan membenarkan penalaran Aristoteles sebelumnya bahwa materi = energi. menemukan adanya partikel antimateri yang bisa memusnahkan materi.
5
C. Perkembangan Hukum Pertama Termodinamika berdasarkan Aliran Filsafat yang Mempengaruhi dan Implikasi dalam Pembelajaran Fisika 1. Perkembangan Hukum Pertama Termodinamika
Hukum pertama termodinamika berbunyi : “Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.”. Dasar dari hukum tersebut disampaikan oleh Jamaes Prescot Joule, serang ahli fisika yang lahir pada tanggal 24 Desember 1818. Pada tahun 1843, James Prescott Joule melakukan percobaan sederhana untuk mennentukan pandangan bahwa kalor adalah salah satu bentuk energi. Energi tersebut diubah menjadi energi lain dan tidak dapat dimusnahkan. Dalam percobaannya juga menunjukkan bahwa energi dapat diubah menjadi panas dengan pebandingan tetap begitu juga sebaliknya. Atas dasar pemikiran tersebut maka lahir hukum pertama Termodinamika atau hukum kekekalan energi. Percobaan
Joule
hanya
menggunakan
peralatan
yang
sederhana.
Peralatannya terdiri atas roda jantera kuningan yang memutar air didalam wadah tembaga. Roda jantera diputar oleh sebuah beban yang dijatuhkan. Ketika jatuh, beban tadi memiliki energi mekanis atau gerak. Joule menjatuhkan beban tadi berkali – kali. Mekanisme kerja alatnya adalah pada waktu jatuh, beban memutar roda jantera dan mengaduk air. Setiap kali beban jatuh, suhu air akan naik. Jumlah kenaikannya bergantung pada jarak beban yang dijatuhkan. Hal ini membuktikan bahwa energi gerak beban yang dijatuhkan berubah menjadi energi panas dalam air. Kenaikan suhu yang sama juga bisa diperoleh dengan memanaskan air di atas kompor. Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukan. kalor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini (4,186 J = 1 kal) dikenal sebagai tara kalor mekanik.Joule menarik kesimpulan sebagai berikut:
6
hubungan antara kalor dan usaha yaitu
a. Kalor merupakan suatu bentuk energi yang dapat berpindah dari lingkungan ke suatu sistem atau sebaliknya karena ada perbedaan suhu antara suatu sistem dengan lingkungannya. Tanpa pengaruh dari luar, kalor akan selalu berpindah dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Misalnya, perpindahan kalor saat pendinginan sebuah mesin kendaraan. b. Usaha juga merupakan suatu bentuk perpindahan energi melalui gaya yang dilakukan sistem pada lingkungan atau sebaliknya dimana titik tangkap gaya mengalami perpindahan. Misalnya, usaha pada beban yang bergerak ke bawah. Pada percobaan Joule tersebut, terjadi kenaikan suhu air yang dapat disebabkan oleh adanya aliran kalor akibat usaha yang dilakukan. Perubahan suhu air, tentu akan menyebabkan perubahan energi kinetik partikel – partikel air dan pada akhirnya akan mengakibatkan perubahan energi dalam air. Energi dalam didefinisikan sebagai jumlah total energi kinetik partikel – partikel zat dalam suatu sistem. Meskipun
Joule
diakui
sebagai
penemu
utama
termodinamika,
Thomsonlah yang "memantapkan termodinamika menjadi disiplin ilmu yang resmi dan merumuskan hukumnya yang pertama dengan terminologi yang tepat. "Hukum Termodinamika Pertama menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, tetapi bentuknya dapat diubah. Artinya, jumlah tenaga/zat di alam semesta adalah tetap." Hukum ini secara meyakinkan mengajarkan bahwa alam semesta tidak menciptakan diri sendiri. Struktur alam semesta sekarang adalah hasil konservasi, bukan inovasi sebagaimana dinyatakan oleh teori evolusi. Tahun 1851, Thomson menerbitkan tulisan berjudul "On the Dynamical Theory of Heat", yang mendukung teori Joule mengenai panas dan gerak. Tahun 1859,William Rankine, menulis buku teks termodinamika pertama. Dalam buku ini dituliskan tentang “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” ΔU = Q + W
7
2. Aliran filsafat filsafat yang mempengaruhi
Aliran filsafat yang mendasari pemikiran James Prescott Joule adalah Idealisme dan Empirisme. Aliran-aliran tersebut sesuai dengan cara penemuan hukum pertama termodinamika. Joule merancang dan melakukan percobaan dengan
menggunakan
Insulator
termal
kemudian
menyimpulkan
hasil
percobaannya menjadi suatu dasar tentang ilmu pengetahuan. Joule menekankan pada idealism dengan ditunjukkan pada implikasi pemikirannya dalam bentuk eksperimen sederhana dengan merancang insulator termal.
Berikut
ini
penjelasan
ontology,
epistemology
dan
aksialogi
beredasarkan penjelasan aliran filsafat idealism. a. Tinjauan ontologi adalah yang hakiki adalah ide bukanlah panca indra. Apapun yang ditangkap oleh panca indra baik itu yang dilihat, diraba, dirasa, dan dicium, itu hanyalah sebatas itu saja. Sesuatu yang jelas dan pasti ialah apa yang berada dalam dunia ide. Hal ini ditunjukkan dengan ide dari James Prescott Joule membuat alat insulator termal. b. Tinjauan epistemology adalah pengetahuan merupakan hasil dari pikiran yang menangkap realitas. Karena pikiran dan idea yang dikenal adalah suatu yang bukan materi, maka proses mengetahui merupakan proses yang sepenuhnya abstrak. Hal ini ditunjukkan bahwasanya ide yang James Prescott Joule dapatkan berdasarkan pemikiran kalor mengalir dari benda panas ke benda yang dingin seperti yang disampaikan oleh Sir Humphrey Davy dan Count Rumford dan Sadi Carnot yang menemukan hubungan antara panas yang digunakan dan kerja mekanik yang dihasilkan. Dari situlah James Prescott Joule menyempurkan penalaran dan membuktikan apabila suatu energi yang diubah dalam bentuk lain, maka tidak ada energi yang musnah. c. Tinjauan Aksiologi adalah Kebenaran adalah pengetahuan dari realitas ideal dan suatu kebohongan merupakan distorsi dari realitas, kebenaran harus selalu di ucapkan dan kebohongan tidak dapat di benarkan. Hal ini ditunjukkan dengan bunyi hukum pertama termodinamika yaitu “Kenaikan
8
energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.” Hal ini sesuai dengan asumsi James Prescott Joule bahwa energi tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dirubah dalam bentuk lain. Joule juga menekan pada empirisme dalam memperoleh pengetahuan dari hubungan antara manusia dengan lingkungannya melalui indera. Joule melakukan penyelidikan hingga menemukan gagasan bahwa nilai dari 1 kal seara dengan 4,186 J. Berikut penjelasan tinjauan ontologi, epistemologi dan aksiologi berdasarkan aliran filsafat empirisme. a. Tinjauan Ontologi dalam filsafat empirisme adalah filsafat bukan membahas kenyataan, tetapi kemampuan manusia dalam memperoleh pengetahuan, yang diuraikan secara rinci (piecemet), dapat dipahami dan dilakukan oleh siapa pun pada umumnya melalui akal sehat.Hal ini ditunjukan oleh james P joule
dalam
memperoleh
pengetahuan
ia
melalukan
berulang
kali
eksperimen b. Tinjauan Epistemologi adalah pengetahuan yaitu semua gagasan bersumber dari
pengalaman
baik
secara
langsung
dan
tidak
langsung
yang
menggunakan penginderaan atau refleksi. Di mana pengindraan merupakan proses alat indra untuk memperoleh kesan tentang peristiwa-peristiwa di luar dirinya. Hal ini ditunjukkan berdasarkan hasil pengamatan yang dilakukan saat eksperimen ia menyebutkan adanya kenaikan suhu akibat adanya kalor yang dihasilkan dari gesekan suhu-suhu dengan air. c. Tinjauan Aksiologi adalah karakteristik dari liberalisme adalah keyakinan tentang harmoni antara kepentingan perorangan dan umum. Hal ini ditunjukkan bahwasannya hasil eksperimen yang dilakukan oleh James Prescott Joule didukung oleh Rudolf Clausius, Lord Kelvin (William Thomson), Helmhozt, dan Robert Mayer dan juga tidak hanya untuk kepentingan perorangan tetapi juga bermanfaat bagi orang banyak di masa depan terlihat dalam implikasi hukum pertama termodinamika digunakan
9
dalam aplikasi mesin uap, termos, mesin kendaran bermotor, refrigerator (lemari es) dan AC 3. Implikasi dalam pembelajaran Fisika
Dalam pembelajaran fisika, pembelajaran mengenai hukum pertama termodinamika harus menyangkut pendekatan saintifik, yaitu mengamati, menanya, mengeksplor, mengasosiasi dan mengomunikasikan agar nantinya pemahaman hukum pertama termodinamika lebih bermakana. Hukum pertama termodinamika di SMA belum begitu mendalam diajarkan hanya sebagai pengenalan saja dan dapat diajarkan dengan menggunakan eksperimen sederhana yaitu menggunakan balon, lilin, gelas, air, korek api. D. Perkembangan Teori Kinetik Gasberdasarkan Aliran Filsafat yang Mempengaruhi dan Implikasi dalam Pembelajaran Fisika 1. Perkembangan Teori Kinetik Gas
Pada kira-kira tahun 50 SM, filsuf Romawi Lucretius mengusulkan agar tubuh makroskopis statis terbentuk pada skala kecil dari atom yang bergerak cepat yang
saling
memantul.
Titik
pandang
atomistik
Epikurean
ini
jarang
dipertimbangkan pada abad-abad berikutnya.Dalam perkembangannya, teori kinetik gas diperoleh dari pemikiran molekul gas. Perkembangan dalam fisika dapat dirangkum sebagai berikut. a)
Tahun 1700 - 1843
Daniel Bernoulli (1700 -1782), yang pertama kali menggunakan gagasan atomistik kuno tentang molekul gas terbang secara acak. Pada 1738, Daniel Bernoulli menerbitkan Hydrodynamica, yang meletakkan dasar teori kinetik gas. Dalam karya ini, Bernoulli mengemukakan argument, bahwa gas terdiri dari sejumlah besar molekul yang bergerak ke segala arah. Dia menjelaskan tekanan gas di dinding wadah karena perubahan momentum molekul selama pemboman
tak
henti-hentinya
terhadap
dinding.
Bernoulli
juga
menghubungkan suhu ke kuadrat kecepatan (rata-rata) dari molekul, dan dengan demikian ia dapat menafsirkan persamaan keadaan gas ideal.
10
Daniel Bernoulli berasal dari keluarga matematikawan. Ayahnya Johann (1667-1748) memulai kalkulus variasional, dan pamannya Jakob (1654-1705) berkembang secara signifikan dalam kalkulus probabilitas; dia menemukan hukum dalam jumlah besar, dan merupakan pengarang distribusi Bernoulli, yang batasnya untuk jumlah besar adalah distribusi Gauss (dalam gas)dan distribusi Maxwell, yang sangat penting dalam teori kinetik gas. Jakob juga memecahkan persamaan diferensial biasa non linier, yang membawa namanya, dalam konteks gelombang akselerasi. Teorema terbaik Daniel adalah persamaan Bernoulli, yang menyatakan bahwa tekanan cairan yang mampat turun saat kecepatannya meningkat. Teorema ini adalah bagian dari buku Daniel Bernoulli tentang hidrodinamika yang diterbitkan pada 1738 - D. Bernoulli: "Hidrodinamika , sive de vivibus et motibus fluidorum commentarii. Sectio decima: De affectionibus atque motibus fluidorum elasticorum, praecique autem aëris ''. Artinya: "Pada sifat dan gerakan cairan elastis, terutama udara". Bagian itu sebagian besar diabaikan oleh para ilmuwan, dan dilupakan selama lebih dari satu abad. Teori tersebut tidak segera diterima, sebagian karena konservasi energi belum terbentuk, dan tidak jelas bagi fisikawan bagaimana tumbukan antara molekul bisa sangat elastis. b) Tahun 1850 - 1895
Agustus Krönig pada tahun 1856 (setelah membaca koran Waterston) menciptakan model gas-kinetik sederhana, yang hanya mempertimbangkan gerak translasi partikel.Namun, teori kinetik tersebut mendapatkan beberapa alasan. Clausius menulis makalahnya yang berpengaruh
yang kemudian
banyak dipuji oleh Maxwell "Pada jenis gerak yang kita sebut panas" yang memberikan interpretasi kinetik suhu yang jelas dan cukup meyakinkan mengenai suhu, persamaan termal keadaan gas, pemanasan adiabatik pada kompresi, zat padat dan padat materi dalam hal gerak molekul, dan kondensasi dan penguapan.
11
Stephen Brush telah memilih gelar Clausius sebagai motto dan judul utama
untuk
dua
jilid
sejarah
teori
kinetik
gas.
Krönig
telah
mempertimbangkan karikatur gas yang sangat disederhanakan dimana partikel semuanya bergerak dengan kecepatan yang sama dan hanya enam arah (ortogonal ke enam dinding kotak persegi panjang). Bahkan sebelumnya, Joule telah mendeskripsikan model yang sama sederhananya pada tahun 1851. Tampaknya Joule adalah yang pertama menunjukkan bahwa kecepatan ratarata ̅ molekul-molekul gas pada suhu T sedemikian sehingga
2
3
−2 = 2
berlaku. Pada suhu kamar, ̅ adalah urutan yang besarnya beberapa ratus meter per detik. Hasil itu mendapat banyak skeptisme yang oleh Christoph Hendrik Diederik Buys-Ballot (1817-1890), seorang ahli meteorologi dan kepala pelayan. Dia berpendapat “ ... jika dia duduk di salah satu ujung ruang makan yang panjang dan seorang pelayan membawa makan malam di ujung sana, beberapa saat sebelum makanan sampai dia bisa mencium bau apa yang akan dia makan. Jika atom terbang ratusan meter per detik, dia harus mencium makan malam begitu melihatnya “. Clausius dapat menjawab keberatan tersebut dengan alasan bahwa molekul asap makanan harum (seperti semua molekul gas) tidak terbang dengan garis lurus untuk waktu yang lama. Mereka bertabrakan dengan molekul lain dan berbalik ke samping dan ke belakang, dan defleksi sebuah atom tersebut mengarah ke jalur zig-zag, yang jauh lebih lama antara dua titik yang diberikan daripada jarak titik-titiknya. Oleh karena itu, atom membutuhkan lebih banyak waktu di antara titik-titik itu di sepanjang jalurnya daripada jika tidak bertabrakan. Dalam membuat argumen ini, Clausius mengembangkan konsep jalur bebas l dari sebuah atom atau molekul: Jika partikel itu dibayangkan berbentuk bola bilyar dari jari-jari r, ia menyapu sebuah silinder dengan volume 2 di antara dua tumbukan. (dalam mean) sehingga silinder semacam itu hanya berisi satu partikel saja. Oleh karena itu, kita harus memiliki 2 ≈ 1 , di mana n = N/V adalah jumlah kerapatan
12
partikel. Oleh karena itu dengan mengikuti jalur bebas rata-rata l dan Clausius menduga nilainya adalah pecahan kecil milimeter untuk gas dalam kondisi normal p = 1atm dan T = 298 K (katakanlah). Tapi dia tidak bisa memastikan, karena r dan n tidak diketahui. Oleh karena itu argumennya tetap agak tidak meyakinkan. Pada tahun 1859, setelah membaca sebuah makalah tentang difusi molekul oleh Rudolf Clausius, fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell merumuskan distribusi kecepatan molekul Maxwell, yang memberi proporsi molekul yang memiliki kecepatan tertentu dalam kisaran tertentu. Ini adalah hukum statistik pertama yang pernah ada dalam fisika. Maxwell juga memberikan
argumen
mekanik
pertama
bahwa
tumbukan
molekuler
memerlukan pemerataan suhu dan karenanya cenderung menuju ekuilibrium. Dalam artikel "Molekul" 1873-nya, Maxwell menyatakan: "kita diberitahu bahwa 'atom' adalah titik material, diinvestasikan dan dikelilingi oleh 'kekuatan potensial' dan bahwa ketika 'molekul terbang' menyerang tubuh yang solid secara konstan Ini menyebabkan apa yang disebut tekanan udara dan gas lainnya. Pada tahun 1871,Ludwig Boltzmann menggeneralisasi pencapaian Maxwell dan merumuskan distribusi Maxwell-Boltzmann dan juga hubungan logaritmik
antara
entropi
dan
probabilitas
pertama
kali
dinyatakan
olehnya.Jadi, sekarang menjadi penting untuk menentukan berapa banyak partikel yang ada dalam volume gas tertentu dalam beberapa keadaan tekanan dan suhu referensi yang disepakati. Yang pasti, satu mol mengandung partikel L = 1g/μ0 tapi seberapa besar μ0, massa atom hydrogen. Pengamatan Avogadro berarti bahwa persamaan termal keadaan gas mengandung konstanta universal. Kita dapat memasukkan persamaan itu ke dalam bentuk pV = NkT, dimana k adalah konstanta universalmenurut Avogadro,k yang sekarang disebut konstanta Boltzmann. Nilai k tidak diketahui, karena N tidak diketahui dan tidak dapat diukur. Dengan mengganti nomor partikel N dengan massa m = Nμ gas. Massa dapat diukur dengan
13
menimbang, tapi hal itu tidak membantu, karena dalam hal massa rumusnya menyatakan pV = mk/μTdengan demikian, sementara k/μ sekarang dapat dihitung, k dan μ masing-masing masih belum diketahui. Sebenarnya, itu adalah dilema teori atom yang menunda penerimaannya di kalangan fisikawan: Keseluruhan gagasan memiliki terlalu banyak rasa hipotetis; Baik massa atom diketahui, maupun jari-jari r mereka, juga tidak diketahui berapa banyak yang ada dalam volume tertentu. Memang benar bahwa kecepatan partikel diketahui, namun jarak dan jarak antara tabrakan tidak diketahui lagi.Radius dapatlah dibuat, dalam fase cair, di mana kerapatan ρliq diketahui, partikel-partikel diletakkan berdekatan sehingga ρliqr 3μ. Tapi, sekali lagi, yang menentukan r saja, jika μ diketahui dan sebaliknya. Setiap pemikiran baru menambahkan kuantitas baru yang tidak dapat ditentukan kecuali jika salah satu dari jumlah sebelumnya diketahui. Maxwell 3
menghitung
viskositas
η
gas.
Dia
memperoleh
=
̅.Sekarang kita memiliki lima persamaan untuk lima variabel yang
tidak diketahui ,,,,.
= ,
c)
= ,
2 = 1,
3 = ,
3
= ̅
Awal abad 20
Pada awal abad ke-20, atom dianggap oleh banyak fisikawan sebagai konstruksi hipotetis murni, bukan benda nyata. Titik balik penting adalah karya Albert Einstein (1905) dan Marian Smoluchowski (1906) tentang gerak Brown, yang berhasil membuat prediksi kuantitatif akurat berdasarkan teori kinetik. 2. Aliran Filsafat yang Mempengaruhi
Berdasarkan sejarah munculnya dasar teori kinetik gas dari para filsuf dan ilmuwan di bahasan sebelumnya, mereka memunculkan dasar teori kinetik gas dari ide gagasan mereka. Mulai dari Lucretius yang mengusulkan adanya
14
atomistik, kemudian berabad-abad setelahnya muncullah Daniel Bernoulli yang mengemukakan argumennya tentang dasar teori kinetik gas dalam sebuah karyanya. Setelah itu dilanjutkan oleh Clausius dan beberapa perhitungan di dalamnya disempurnakan oleh yang lainnya, yaitu Maxwell, Avogadro dan Josef Loschmidt
dengan
menggunakan
hipotesis-hipotesisnya.
Sehingga,
dapat
dikatakan bahwa teori dasar kinetik gas ini asal mulanya dipengaruhi oleh aliran filsafat Idealisme. Berikut ini akan dijabarkan tinjauan filsafatnya. a. Tinjauan ontologi teori kinetik gas
Robert N. Barger (2001) menyatakan bahwa ontologi merupakan teori sifat akhir dari realitas. Kata lain untuk “teori” adalah kepercayaan, karena berhubungan dengan pandangan dunia yang fundamental yang pada dasarnya merupakan asumsi-asumsi yang tidak dapat dibuktikan, karena ontologi idealisme merupakan kepercayaan yang dimiliki seseorang sebagai penjelasan terbaik tentang realitas dan apa artinya, menurut pandangan orang tersebut. Sehingga, yang ditanyakan dalam hal ini adalah what is real (apa yang nyata) dalam teori kinetik gas. Berdasarkan pandangan filsuf Romawi yang bernama Lucretius yang memiliki pandangan bahwa tubuh makroskopis statis terbentuk pada skala kecil dari atom yang bergerak cepat dan saling memantul. Kemudian pandangan ini dilanjutkan oleh Daniel Bernoulli yang menggagas atomistik kuno dalam karyanya yang berjudul Hidrodinamik yang isinya tentang molekul gas yang terbak secara acak. b. Tinjauan epistemologi teori kinetik gas
Dalam idealisme, proses mencari tahu adalah mengenali dan mengingat
ide-ide tersembunyi dari ide-ide yang yang telah dibentuk
sebelumnya dan yang ada di dalam pikiran. Barger menyatakan bahwa epistemologi merupakan suatu teori kebenaran atau pengetahuan. Hal yang dipertanyakan dalam tinjauan ini adalah what is true (apa yang benar) dan bagaimana kita dapat mengetahui kebenaran itu. Berbicara mengenai epistemologi teori kinetik gas, dalam sejarahnya menceritakan bahwa gagasan Bernoulli tidak segera diterima oleh kalangan fisikawan pada masanya.
15
Karena, menurut fisikawan, bagaimana bisa tumbukan antara molekul bisa dikatakan sangat elastis. Pada tahun 1857, Rudolf Clausius mengungkapkan beberapa alasan mengenai teori kinetik gas yang sebelumnya mendapat pertentangan. Dalam makalahnya, Clausius mengemukakan bahwa pada jenis gerak yang kita sebut panas, memberikan interpretasi kinetik suhu yang jelas, persamaan termal keadaan gas, pemanasan adiabatik pada kompresi, zat padat dan materi dalam hal gerak molekul, dan kondensasi dan penguapan. Gagasan Clausius mendapat penyempurnaan oleh August Karl Kroning dalam penurunan matematis dalam persamaan keadaan dan interpretasi suhu. Gagasan Clausius juga sempat diragukan oleh Christoph Hendrik Diedrik Buys-Ballot, yang berpendapat bahwa jika atom dari suatu hidangan makanan dapat terbang ratusan meter per detik, maka dia akan langsung mencium baunya hidangan itu saat sekejap ketika hidangan dibuka dari penutupnya. Keraguan inilah yang membuat Clausius memunculkan gagasan mengenai jalur bebas atom. Bahwa atom semua gas tidak berterbangan dengan garis lurus dalam waktu yang lama. Atom akan saling bertabrakan dengan atom lain kemudian dapat berpindah arah. Tetapi, argumen ini masih saja belum meyakinkan karena saat dia menuangkannya dalam bentuk persamaan matematis, terdapat dua variabel yang belumdapat dia ketahui. Pada tahun 1859, fisikawan Skotlandia, James Clerk Maxwell membantu menyempurnakan gagasan Clausius dengan memberikan argumen mekanik pertama bahwa tumbukan molekuler memerlukan pemerataan suhu dan karenanya cenderung menuju ke kesetimbangan. Dalam artikel "Molekul", Maxwell menyatakan: "kita diberitahu bahwa 'atom' adalah titik material, diinvestasikan dan dikelilingi oleh 'kekuatan potensial' dan bahwa ketika 'molekul terbang' menyerang tubuh yang solid secara konstan Ini menyebabkan apa yang disebut tekanan udara dan gas lainnya”. Pada tahun 1871, Ludwig Boltzmann menggeneralisasi pencapaian Maxwell dan
16
merumuskan distribusi Maxwell-Boltzmann. Juga hubungan logaritmik antara entropi dan probabilitas pertama kali dinyatakan olehnya. c. Tinjauan aksiologi teori kinetik gas
Tinjauan aksiologi pada aliran idealisme adalah nilai lebih dari sekedar pilihan manusia, nilai benar-benar melekat secara intrinsik dalam struktur alam semesta. Dalam upaya pencarian nilai, idealis melihat pada etika yang ditemukan pada kebijaksanaan manusia yang bertahan dari waktu ke waktu. Perilaku etika tumbuh dari aspek tradisi sosial dan budaya yang permanen dan pada kenyataannya merupakan kebijaksanaan masa lalu yang berlaku saat ini, sedangkan pemahaman estetika berasal dari idealisasi dunia di sekitar kita (Gutek, 1988). Sehingga yang dipertanyakan dalam tinjauan ini adalah what is good . Aksiologi dari teori kinetik gas pada saat ini adalah berbicara tentang sifat gerakan partikel atom dalam suatu gas yang mampu dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari manusia untuk membantu memudahkan pekerjaannya. Salah satu penerapannya adalah pembuatan balon udara yang memanfaatkan teori kinetik gas sebagai dasarnya. Teori kinetik gas menjelaskan bahwa gas memberi tekanan saat molekul-molekulnya menumbuk dinding wadah. Semakin besar jumlah molekul gas per satuan volume, semakin besar molekul yang menumbuk dinding wadah, dan akibatnya semakin tinggi tekanan gas. Salah satu asumsi teori ini adalah gas terdiri atas molekul-molekul yang bergerak secara acak. Hal ini sesuai dengan gagasan yang disampaikan oleh Clausius. 3. Implikasi dalam Pembelajaran Fisika
Berdasarkan sejarah penemuan dan aliran filosofi tentang teori kinetik gas yang didasarkan aliran idealisme, maka implikasinya ini juga harus berkaitan dengan kegiatan pembelajaran yang diterapkan kepada siswa. Jika mengacu pada silabus mata pelajaran fisika kelas XI, terdapat kompetensi dasar nomor 3.8 yang menyatakan memahami teori kinetik gas dalam menjelaskan karakteristik gas pada ruang tertutup. Dalam kegiatan pembelajarannya yang dilakukan dengan
17
pendekatan saintifik, yaitu mengamati, menanya, mengeksplor, mengasosiasi dan mengomunikasikan, lebih banyak disebutkan kegiatan pembelajaran yang bertujuan mendiskusikan hal-hal yang berkaitan dengan teori kinetik gas. Dari kegiatan-kegiatan diskusi ini nanti dapat diperoleh gagasan-gagasan pemahaman yang berasal dari pikiran siswa mengenai teori kinetik gas. Beberapa hal yang dibahas diantaranya adalah gerakan partikel gas yang menumbuk dinding menyebabkan tekanan gas serta hubungan antara suhu dengan energi kinetik dan tekanan gas. Hal-hal yang didiskusikan ini nantinya akan menuju pada penerapan persamaan teori kinetik gas dalam soal pemecahan masalah yang dib erikan oleh guru. E. Perkembangan Hukum Kedua Termodinamika berdasarkan Aliran Filsafat yang Mempengaruhi dan Implikasi dalam Pembelajaran Fisika 1. Perkembangan Hukum Kedua Termodinamika
Termodinamika pada masa awalnya merupakan sebuah ilmu untuk mempelajari mesin panas (heat engine), yang dimana mengubah kalor menjadi kerja yang berguna. Di abad ke-19, para ilmuwan percaya kalor merupakan fluida tak bermassa yang dinamakan kalori—yang mengalir dari suhu tinggi menuju suhu rendah. Sebagian aliran kalor ini dapat diubah menjadi kerja yang berguna. Uap maupun tenaga ledakan bensin tidak sepenuhnya berubah menjadi kerja—hanya beberapa bagian saja yang benar -benar menjadi kerja. Sehingga terdapat besaran efisiensi yang diberikan oleh setiap mesin panas. Hal ini membuat ilmuwan pada abad ke-18 sangat tertarik pada efisiensi mesin— beberapa ilmuwan pun mencari cara untuk meningkatkan efisiensi setinggitingginya. Hal tersebut membuat seorang teknisi muda bernama Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796 – 1832) mempelajari lebih dalam mengenai efisiensi suatu mesin panas. Berdasarkan teorinya dalam konsep fluida kalori, dia menemukan bahwa ada suatu batasan tertentu dari efisiensi suatu mesin, dan batasan itu
18
bergantung pada dua temperatur yang bekerja diantara mesin tersebut. Tentu saja, kita bisa menambah efisiensi suatu mesin dengan mengisolasinya sehingga mengurangi kalor yang terbuang, atau kita mengurangi gesekan pada gerakan mesin. Walaupun suatu mesin panas dibuat se-ideal mungkin, tetap saja pasti akan ada batasan kerja yang didapat, dari kalor yang diberikan dari temperatur tinggi menuju temperatur yang rendah. Namun, hal itu belum membuat Carnot memformulasikan hukum kedua termodinamika, tetapi konsep yang Dia berikan merupakan cikal bakal keberadaan hukum kedua termodinamika. Salah satu penemuan penting lainnya adalah berasal dari William Thomson
(1824 – 1907)
yang
nantinya
dikenal
sebagai
Lord
Kelvin.
Penemuannya ini berkaitan dengan skala temperatur absolut. Dia menemukan bahwa ada batasan terendah dari suatu temperatur, batasan terendah ini disebut nol mutlak (0 K), yang dimana tidak ada lagi temperatur yang lebih rendah dari nol mutlak.Pada dasarnya formulasi hukum kedua termodinamika yang diberikan oleh Lord Kelvin adalah ‘tidak mungkin bagi kita untuk dapat mengubah kalor sepenuhnya menjadi kerja’.Selain dari Kelvin, ilmuwan terpenting yang memformulasikan hukum kedua termodinamika adalah Rudolf Clausius (1822 – 1888). Ia mengatakan bahwa “pada sistem terisolasi, tidak mungkin ada proses dimana kalor mengalir dari temperatur rendah menuju temperatur tinggi. Sekilas tidak ada yang spesial, karena itu memang hal yang lazim. Namun, ada makna yang dalam di balik itu.”Dua pernyataan Kelvin dan Clausius diatas sekilas tampak tidak berhubungan sama sekali. Tapi mudah bagi kita untuk melihat bahwa kedua pernyataan itu saling ekuivalen. Misalnya, jika kalor dapat mengalir dari temperatur yang rendah menuju temperatur yang tinggi, tentulah kita pasti selalu bisa menggunakan kalor yang tersimpan pada temperatur panas untuk dijadikan kerja (dari aliran kalor). Sehingga jika kita melanggar pernyataan Clausius maka kita juga melanggar pernyataan Kelvin. Selain hal diatas, ada banyak lagi cara untuk memformulasikan hukum kedua termodinamika—yang tidak diberikan disini.
19
Pada tahun 1856 Clausius memperkenalkan suatu istilah baru, yaitu entropi. Dengan konsep tersebut, terbentuklah pernyataan hukum kedua termodinamika yang sering kita baca atau dengar:“Total entropi dalam sistem terisolasi tidak pernah berkurang”. Lebih jauh lagi, jika prosesnya irreversibel, maka total entropi dari sebuah sistem tertutup selalu meningkat. Sedangkan, pada proses reversibel total entopi pada sebuah sistem tetap konstan. Sehingga, bisa disimpulkan bahwa perubahan entropi alam semesta lebih besar dari nol untuk proses irreversibel dan sama dengan nol jika prosesnya reversibel, yang dirumuskan S ≥0
Dengan, ∆S = perubahan entropi 2. Aliran Filsafat yang Mempengaruhi
Aliran filsafat yang mendasari penemuan Hukum II Termodinamika yaitu idealisme. Hal ini ditunjukkan adanya pemikiran dari Clausius tidak mungkin kalor berpindah dari daerah yang dingin ke daerah yang panas dan entropi pada sistem terisolasi tidak berkurang. Kajian Ontologi, Epistemologi, Aksiologi
Jika ditinjau dari tinjauan ontologis , obyek yang diteliti dalam Hukum II Termodinamika
adalah
entropi.
Sedangkan,
secara
epistemologis nya
adalahbahwa cara dia menemukan Hukum II Termodinamika dengan membaca hasil penemuan orang lain dan merumuskan secara matematis. Dan ditinjau dari Aksiologi nya bahwa Hukum II Termodinamika menjelaskan proses-proses
termodinamika
yang
terjadi
dalam
kehidupan
sehari-hari
yang
dapat
meningkatkan entropinya, seperti es didalam gelas yang menyebabkan terjadi pengembunan diluar gelas dan mengakibatkan entropinya meningkat
20
3. Implikasi dalam Pembelajaran Fisika
Adapun implikasi dalam pembelajaran dengan cara : a) Model direct instruction yang mana guru berperan sebagai penyampai informasi (pengetahuan deklaratif) kemudian diberikan soal untuk mengetahui pemahaman siswa setelah diberi informasi. b) Pendekatan saintifik mengamati, menanya, mengeksplor, mengasosiasi dan
mengomunikasikan.
21
BAB III PENUTUP
A. Simpulan
Pengetahuan diperoleh melalui serangkaian proses yang panjang. Ilmu termodinamika dapat muncul sebagai salah satu cabang ilmu fisika karena dalam kehidupan sehari-hari manusia tidak bisa lepas dari penggunaan kalor. Kalor dipelajari dari percobaan sederhana yang dilakukan oleh Joule dan Joule mengungkapkan pemikirannya dengan membuat persamaan sederhana agar seseorang mudah memahami kalor. Tokoh-tokoh lainnya juga berperan dalam menentukan hukum termodinamika, sehingga muncul hukum kedua yang diusulkan oleh Carnot dan Teori Kinetik Gas. Pada dasarnya setiap ilmu yang telah diperoleh saat ini memiliki filsafat yang medasarinya seperti idealisme dan empirisme.
B. Saran
Makalah ini tidak lepas dari kesalahan, oleh karena itu kritik dan saran yang sangat membangun dalam penulisan makalah ini sangat penulis butuhkan. Dengan adanya makalah ini diharapkan kepada mahasiswa agar dapat memahami mengenai tantangan dari perkembangan ilmu dan masa depan kita menyangkut perkembangan ilmu tersebut.
22
DAFTAR PUSTAKA
Barger, Robert N. 2001. Philosopical Belief System. [Online]. Diakses pada 25 September 2017. Tersedia di: http://www3.nd.edu/~rbarger/philblfs-with-epis.html Clausius, Rudolf. 1850. Mechanical Theory of Heat . Published in Poggendoff’s Annalen 1854, vol. XCIII (hal. 481).Paris: Journal de Mathematiques, Vol. XX. Gutek,Gerald L.1988. Philosophical and Ideological Perspectives on Education. New Jersey: Prentice Hall, Inc. Loverude, Michael E., dkk. 2002. Student Understanding of The First Law of Thermodynamics: Relating Work To The Adiabatic Compression of an Ideal Gas. American Journal of Physics. DOI: 10.1119/1.1417532 Müller, Ingo. 2007. A History of Thermodynamics, The Doctrine of Energy and Entropy. Berlin: Springer Berlin Heidelberg New York Serway, Jewett. 2004. Physics for Scientist and Engineers 6th Edition. Thomson Brooks/Cole
23
