Kajian ilmiah - Konsep Proses Spontan Berdasarkan Energi dan Entropi

 

Abstrak

Proses spontan merupakan fenomena alam yang terjadi tanpa intervensi eksternal, ditentukan oleh hubungan antara energi dan entropi suatu sistem. Artikel ini membahas konsep dasar proses spontan dalam perspektif termodinamika, yang meliputi kecenderungan sistem menuju energi minimum dan entropi maksimum. Berdasarkan hukum kedua termodinamika, suatu proses dikatakan spontan jika disertai penurunan energi bebas atau peningkatan entropi. Proses-proses alam seperti aliran air dari tempat tinggi ke tempat rendah dan pelarutan gula dalam air merupakan contoh nyata keseimbangan energi dan entropi yang mendukung kespontanan. Artikel ini juga membahas kondisi di mana proses non-spontan dapat berlangsung melalui intervensi eksternal, serta skenario di mana proses spontan dapat menaikkan energi atau menurunkan entropi asalkan perubahan tersebut diimbangi oleh variabel lain. Dengan demikian, penentuan sifat spontan atau tidaknya suatu proses didasarkan pada kesetimbangan energi dan entropi yang terjadi pada sistem.

Kata kunci: Proses spontan, energi, entropi, termodinamika, kesetimbangan

Proses Spontan: Antara Energi, Entropi, dan Analogi Kehidupan

Dulu, sewaktu SMA, salah satu kenangan yang paling membekas adalah rasa penasaran bercampur bingung setiap kali mendengar istilah energi, kekacauan (entropi), dan proses spontan. Saya sering merasa panas dingin ketika guru kimia bertanya, “Demo mahasiswa itu proses spontan atau tidak?”

Saat itu, saya tidak mampu menjawab—begitu juga teman-teman sekelas. Akhirnya, pertanyaan itu berubah menjadi PR. Saya mencari jawaban di berbagai literatur kimia, mencoba memahami apakah ada “rumus” yang dapat menjelaskan demo mahasiswa sebagai proses spontan atau tidak. Dari sana, saya mulai belajar memahami apa sebenarnya proses spontan itu, dan bagaimana kaitannya dengan energi dan entropi.

Saya kemudian menyadari bahwa demo mahasiswa bisa dikatakan spontan atau tidak spontan bergantung pada keseimbangan energi dan entropi. Manusia telah menemukan suatu hukum alam—hukum Allah—yang menjelaskan hal ini:

1. Suatu sistem cenderung mencapai tingkat energi yang serendah mungkin (energi berkurang).

2. Suatu sistem cenderung meningkatkan tingkat ketidakteraturan atau kekacauannya (entropi bertambah).

Kedua kaidah inilah yang menjadi dasar apakah suatu proses dapat berlangsung secara spontan.

Sebagai analogi, ketika nurani mahasiswa tidak bisa menerima keadaan, mereka memiliki “kelebihan energi”. Saat energi itu disalurkan melalui aksi demonstrasi, proses tersebut dapat dikatakan spontan. Begitu pula, ketika mereka meninggalkan pola keteraturan kampus dan turun ke jalan tanpa arsitek atau jalur komando yang terstruktur, hal ini juga dapat dianggap sebagai bentuk proses spontan.

Secara ilmiah, proses spontan adalah proses yang terjadi dengan sendirinya secara alami, di mana suatu sistem akan menurunkan tingkat energi semaksimal mungkin atau meningkatkan tingkat kekacauan (entropi) sebisanya. Dalam reaksi kimia, reaksi bersifat spontan jika:

1. Energi tidak berubah, tetapi entropinya positif (kekacauan meningkat setelah reaksi).

2. Entropi tidak berubah, tetapi energinya negatif (energi berkurang setelah reaksi).

3. Energi berkurang dan entropinya bertambah.

Contoh proses spontan dalam kehidupan sehari-hari antara lain:

• Air mengalir dari tempat tinggi ke tempat rendah (karena energi potensial air di atas lebih tinggi daripada di bawah).

• Gula larut dalam air (struktur kristal gula yang teratur menjadi lebih tidak teratur dalam larutan).

Namun, apakah entropi dapat bergerak ke arah negatif—artinya suatu sistem menjadi lebih teratur? Atau apakah energi sistem dapat meningkat?

Jawabannya: bisa, tetapi memerlukan campur tangan pihak ketiga, sehingga prosesnya tidak lagi bersifat spontan. Misalnya, air dapat bergerak dari bawah ke atas dengan bantuan pompa, atau larutan gula dapat dipisahkan kembali melalui proses penguapan.

Demikian pula, apakah proses spontan bisa menaikkan energi atau menurunkan entropi? Jawabannya: bisa saja. Proses spontan dapat menaikkan energi asalkan disertai peningkatan entropi yang cukup besar untuk mengimbangi kenaikan energi tersebut. Begitu juga sebaliknya, proses spontan dapat menurunkan entropi jika diimbangi oleh penurunan energi yang sesuai.

Kesimpulannya, sifat spontan atau tidaknya suatu proses ditentukan oleh keseimbangan antara energi dan entropi.

Kajian Ilmiah - Hukum Kelembaman

 

Pendahuluan

Gerak benda merupakan salah satu topik penting dalam fisika. Salah satu hukum dasar yang menjelaskan perilaku gerak benda adalah Hukum Newton 1 atau Hukum Kelembaman. Hukum ini pertama kali dikemukakan oleh Sir Isaac Newton pada abad ke-17. Inti dari hukum ini adalah bahwa benda akan tetap mempertahankan keadaan diam atau bergerak lurus beraturan, kecuali ada gaya luar yang bekerja padanya.

---

Pembahasan

1. Bunyi Hukum Newton 1

Hukum Newton 1 menyatakan:

“Suatu benda akan tetap berada dalam keadaan diam atau bergerak lurus beraturan jika tidak ada gaya luar yang bekerja padanya.”

Artinya:

• Benda diam akan tetap diam.

• Benda yang bergerak lurus dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak seperti itu.

• Perubahan gerak (mempercepat, memperlambat, atau berbelok) hanya terjadi jika ada gaya dari luar.

Sifat benda yang mempertahankan keadaannya ini disebut kelembaman (inertia). Besarnya kelembaman berbanding lurus dengan massa benda—semakin besar massa, semakin sulit digerakkan atau dihentikan.

---

2. Contoh Hukum Newton 1 dalam Kehidupan Sehari-hari

a. Penumpang di dalam kendaraan
Ketika mobil direm mendadak, tubuh penumpang terdorong ke depan. Sebaliknya, ketika mobil dipercepat tiba-tiba, tubuh terdorong ke belakang. Ini terjadi karena tubuh berusaha mempertahankan keadaan geraknya.

b. Koin di atas kertas
Koin diletakkan di atas kertas kemudian kertas ditarik cepat. Koin tetap di tempat karena mempertahankan posisi diamnya.

c. Bola di permukaan datar
Bola yang digelindingkan di permukaan licin akan terus bergerak lurus. Jika berhenti, itu karena adanya gaya gesekan yang melawan geraknya.

d. Barang di atas mobil
Barang di atap mobil akan tetap diam saat mobil diam. Jika mobil tiba-tiba bergerak, barang dapat tergelincir karena mempertahankan keadaan diamnya.

e. Debu di karpet
Debu beterbangan saat karpet dipukul karena debu mempertahankan keadaan diam ketika karpet tiba-tiba bergerak.

---

Kesimpulan

Hukum Newton 1 menjelaskan bahwa benda cenderung mempertahankan keadaan diam atau bergerak lurus beraturan kecuali ada gaya luar yang mempengaruhinya. Fenomena ini dikenal sebagai kelembaman. Pemahaman tentang hukum ini membantu kita memahami berbagai peristiwa sehari-hari, mulai dari keselamatan berkendara hingga perilaku benda di sekitar kita.

Kajian Ilmiah - Paralaks Bintang Bukti Bumi Tidak Diam di Tempat

 

Paralaks Bintang (Stellar Parallax)

Paralaks bintang (stellar parallax) adalah perubahan sudut yang tampak antara bintang dekat dan bintang jauh ketika diamati dari Bumi, akibat posisi Bumi yang berubah sepanjang orbitnya mengelilingi Matahari.

Konsep ini mirip dengan fenomena yang terjadi saat kita melihat dua objek dari posisi yang berbeda: objek yang lebih dekat akan tampak bergeser relatif terhadap objek yang lebih jauh.

Percobaan Sederhana: Memahami Paralaks

Untuk memahami paralaks, coba lakukan percobaan berikut:

1. Letakkan jari telunjuk sekitar 10 cm di depan wajah.

2. Pandanglah pemandangan di depan sebagai latar belakang (misalnya pohon atau tiang listrik).

3. Tutup mata kiri, perhatikan posisi jari telunjuk terhadap objek di latar belakang.

4. Tukar, buka mata kiri dan tutup mata kanan, perhatikan kembali posisi jari telunjuk terhadap latar belakang.

Akan terlihat perbedaan posisi jari terhadap objek latar belakang. Perbedaan inilah yang menggambarkan prinsip paralaks.

Paralaks Bintang dan Revolusi Bumi

Bumi bergerak mengelilingi Matahari dalam lintasan elips. Posisi Bumi yang bergeser dari sisi kiri ke sisi kanan Matahari sepanjang revolusi menyebabkan sudut pandang kita terhadap bintang-bintang juga berubah.

Paralaks hanya dapat diamati pada bintang-bintang yang relatif dekat. Sudut paralaks yang dihasilkan sangat kecil karena jarak bintang yang sangat jauh dari Bumi. Semakin jauh jarak bintang, semakin kecil sudut paralaksnya.

Pengukuran Paralaks Bintang

Untuk mengukur sudut paralaks suatu bintang, observasi dilakukan dua kali dalam selang waktu sekitar enam bulan—saat Bumi berada di posisi yang berlawanan dalam orbitnya. Pengukuran pada kedua posisi ini memaksimalkan pergeseran sudut yang tampak.

Orang pertama yang berhasil mengukur sudut paralaks bintang adalah Friedrich Wilhelm Bessel pada tahun 1838. Menggunakan instrumen yang disebut heliometer, Bessel mengukur paralaks bintang 61 Cygni sebesar 0,28 detik busur, yang setara dengan jarak sekitar 3,57 parsec.

Seiring perkembangan teknologi, semakin banyak bintang yang berhasil diukur sudut paralaksnya. Misalnya, bintang Alpha Centauri, bintang terdekat dari Bumi (selain Matahari), memiliki sudut paralaks sebesar 0,77 detik busur. Kini, ratusan bahkan ribuan bintang telah diketahui sudut paralaksnya, yang memungkinkan penentuan jarak mereka dengan akurasi tinggi.

Paralaks Sebagai Bukti Gerak Bumi

Adanya paralaks bintang menjadi bukti empiris bahwa Bumi berpindah posisi dalam ruang, tidak diam di tempat. Bukti ini mendukung model heliosentris (Bumi mengelilingi Matahari) dan sekaligus membantah teori geosentris yang menyatakan Bumi sebagai pusat alam semesta.

Kajian Ilmiah - Memahami Panas dan Temperatur

 

Memahami Panas dan Temperatur : Apa Bedanya?

Bisakah Satu Atom Memiliki Temperatur?

Bayangkan kita mengambil satu atom besi atau satu molekul air. Apakah kita bisa mengukur temperaturnya? Anggap saja kita memiliki alat ukur yang sangat canggih, bahkan lebih canggih daripada mikroskop elektron.

Untuk menjawab pertanyaan ini, kita harus memahami dulu apa itu temperatur atau suhu.

---

Apa Itu Temperatur?

Secara sederhana, temperatur adalah ukuran rata-rata energi kinetik partikel-partikel penyusun suatu zat. Dalam bahasa populer, kita bisa membayangkannya sebagai tingkat kelincahan rata-rata partikel-partikel tersebut.

Di dalam sepotong besi, atom-atomnya tidak duduk diam. Mereka terus bergetar, bergerak, saling mendorong, berdesakan, bahkan saling bertumbukan ke segala arah.

• Semakin tinggi kelincahan (energi kinetik rata-rata) atom-atom, semakin tinggi temperaturnya.

• Semakin rendah kelincahan atom-atom, semakin rendah temperaturnya.

Dari sini, dapat kita pahami: satu atom besi tidak memiliki temperatur. Temperatur adalah besaran rata-rata dari banyak partikel. Jadi, kita hanya bisa mendefinisikan temperatur untuk sekumpulan atom atau molekul, bukan untuk satu partikel tunggal.

---

Skala Temperatur

Untuk memudahkan pengukuran, para ilmuwan membuat skala temperatur:

• Skala Celcius (°C): Ditetapkan 0 °C pada saat es melebur, dan 100 °C pada saat air mendidih pada tekanan 1 atm.

• Skala Kelvin (K): Ditetapkan 0 K pada saat semua gerak molekul berhenti (temperatur nol mutlak). Skala Kelvin tidak memiliki bilangan negatif.

• Skala Fahrenheit (°F) dan Reamur (°R): Juga digunakan, tetapi lebih jarang di dunia ilmiah modern.

Semua skala temperatur ini dapat dikonversi satu sama lain melalui persamaan konversi yang sudah baku.

---

Apakah Panas Sama dengan Temperatur?

Di rumah, termometer badan biasanya menunjukkan angka dalam skala Celcius. Namun, sering kali kita mengatakan “mengukur panas badan”. Ini adalah kebiasaan bahasa yang keliru. Yang diukur termometer adalah temperatur, bukan panas.

Dalam fisika:

• Temperatur adalah ukuran rata-rata energi kinetik partikel-partikel dalam zat.

• Panas (kalor) adalah energi yang berpindah dari satu benda ke benda lain akibat perbedaan temperatur. Panas juga bergantung pada jumlah partikel dalam benda tersebut.

---

Hubungan Panas dan Temperatur

Panas dan temperatur saling berkaitan, tetapi tidak sama.

1. Jika jumlah partikel tetap, semakin tinggi temperatur → semakin besar energi panas yang tersimpan.

   • Contoh: Sepotong besi membara lebih panas dibanding saat dingin.

2. Jika temperatur sama tetapi jumlah partikel berbeda, panasnya berbeda.

   • Contoh: Satu ember air dan satu gelas air pada temperatur sama memiliki panas berbeda. Air seember mengandung lebih banyak energi panas karena jumlah partikel lebih banyak.

Secara ilmiah, hubungan panas dan temperatur dinyatakan dalam rumus:

$$\mathrm{ \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; Q}\propto N\cdot k\cdot T$$

di mana:

• $Q$ = energi panas

• $N$ = jumlah partikel

• $k$ = konstanta Boltzmann

• $T$ = temperatur absolut (Kelvin)

---

Kesimpulan

• Temperatur adalah ukuran rata-rata energi kinetik partikel.

• Panas adalah energi yang berpindah akibat perbedaan temperatur, bergantung pada jumlah partikel dan temperatur.

• Satu atom tidak memiliki temperatur, karena temperatur adalah konsep yang berlaku untuk kumpulan besar partikel.

• 
  

Kajian Ilmiah - Mengapa Cahaya Matahari Terasa Panas?

 

Mengapa Cahaya Matahari Terasa Panas?

Cahaya matahari maupun cahaya dari sumber lain pada dasarnya tidaklah panas. Cahaya bukanlah panas. Cahaya tampak merupakan gelombang elektromagnetik dengan rentang panjang gelombang dari merah hingga violet. Memang benar cahaya membawa energi, tetapi energi tersebut bukan dalam bentuk panas, melainkan dalam bentuk energi gelombang elektromagnetik.

Panas sendiri didefinisikan sebagai tingkat kelincahan molekul-molekul dalam suatu sistem. Semakin tinggi temperatur suatu sistem, semakin lincah pergerakan molekul-molekulnya.

Mengapa Kita Merasakan Panas di Bawah Sinar Matahari?

Untuk memahami ini, bayangkan sebuah bola tenis yang dilemparkan ke dinding. Bola tenis membawa energi kinetik. Ketika bola menghantam dinding, sebagian energi tersebut diserap oleh molekul-molekul dinding. Molekul yang menerima energi tambahan ini bergerak lebih lincah, sehingga suhu (temperatur) dinding yang terkena hantaman bola meningkat.

Fenomena serupa terjadi ketika cahaya mengenai suatu objek. Energi cahaya yang datang sebagian akan diserap oleh molekul-molekul permukaan benda. Molekul yang menyerap energi ini menjadi lebih aktif bergerak, sehingga temperatur benda naik.

Tubuh manusia yang berada di bawah terik matahari juga mengalami hal serupa. Kulit menyerap energi cahaya matahari, sehingga temperatur kulit meningkat, dan kita merasakan sensasi panas.

Bagaimana Jika Cahaya Dipantulkan?

Jika tubuh atau suatu permukaan dapat memantulkan 100% cahaya matahari yang mengenainya, maka hampir tidak ada energi cahaya yang diserap. Dalam kondisi ideal ini, kita tidak akan merasakan panas dari sinar matahari.

Catatan Mengenai Panas dan Temperatur

Dalam penjelasan ini, istilah panas digunakan untuk memudahkan pemahaman. Secara ilmiah, panas dan temperatur adalah dua besaran yang berbeda namun saling berkaitan. Panas merujuk pada energi yang berpindah akibat perbedaan temperatur, sedangkan temperatur adalah ukuran tingkat energi kinetik rata-rata partikel dalam suatu sistem. Perbedaan ini akan dibahas lebih rinci pada kesempatan lain.