Hukum Ke Nol Termodinamika

Ada 4 hukum termodinamika yang menjadi dasar dalam mempelajari proses interaksi antara kalor dan kerja yaitu :
1. Hukum ke 0 termodinamika
Hukum ke 0 termodinamika berbunyi : ” Jika 2 buah benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda yang ke 3, maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu dengan lainnya” . Untuk lebih memahami tentang isi hukum ke 0 termodinamika, maka bunyi hukum ini dapat ditulis ulang dengan kata-kata yang lebih sederhana yaitu  Jika benda A mempunyai temperatur yang sama dengan benda B dan benda B mempunyai temperatur yang sama dengan benda C maka temperatur benda A akan sama dengan temperatur benda C atau disebut ketiga benda (benda A, B dan C) berada dalam kondisi kesetimbangan termal. Kondisi ini dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 1 kesetimbangan termal antara benda A, benda B dan benda C

Jika 2 benda yang berbeda temperatur bersentuhan, maka dikatakan ke dua benda itu berada dalam kondisi kontak termal. Permukaan tempat kedua benda bersentuhan disebut permukaan kontak termal. Panas atau dinginnya suatu benda ditentukan oleh banyaknya energi panas (kalor) yang diserap oleh molekul benda. Besarnya derajat panas benda ini disebut temperatur benda atau suhu benda.

bagaimanakah temperatur benda terbentuk ?

Temperatur adalah ukuran energi kinetik yang dimiliki oleh molekul-molekul penyusun suatu benda. Benda-benda di alam tersusun oleh molekul-molekul dan atom-atom. Molekul yang menyusun benda tidak berada dalam keadaan diam, tetapi molekul-molekul ini bergetar atau bergerak secara acak sesuai dengan besarnya energi kinetik yang dimiliki oleh molekul-molekul. Benda dalam bentuk padat, molekul-molekul penyusunnya tidak dapat bergerak bebas, tetapi terikat erat dan kaku antara satu dengan lainnya. Molekul – molekul dalam benda padat hanya dapat bergetar. Ini terjadi karena energi yang dimiliki oleh molekul dalam benda padat relatif kecil sehingga tidak dapat melepaskan diri dari ikatan antar molekul.

Bila benda padat ini dipanaskan, maka sejumlah energi panas (kalor) akan diserap oleh molekul sehingga molekul dapat bergetar lebih cepat, ini ditunjukan dengan naiknya derajat panas benda. Panas benda naik karena getaran molekul bertambah besar menyebabkan molekul lebih banyak bertumbukan dan bergesekan. Semakin banyak kalor dari luar yang diserap oleh molekul maka molekul akan semakin memiliki energi untuk bergetar dan bergesekan lebih cepat hingga suatu saat molekul ini tidak lagi saling terikat tetapi bebas bergerak. Molekul yang bebas bergerak ini masih saling terikat satu dengan lainnya, inilah yang disebut fase cair benda. Kalor yang diberikan kepada benda diserap oleh melekul untuk dapat bergetar lebih cepat sehingga bebas dan dapat bergerak sehingga mengubah fase benda dari benda padat menjadi benda cair.

Bila kalor terus diberikan, maka gerak molekul dalam zat cair akan semakin acak, dan tumbukan antar molekul semakin sering terjadi. Kondisi ini bila berlangsung terus, maka suatu saat molekul akan benar-benar bebas dan tidak terikat satu dengan lainnya, Kondisi ini disebut zat cair berubah menjadi gas. Pada fase gas, molekul penyusun gas tidak saling terikat satu dengan lainnya dan dapat bergerak bebas. Jadi besar kecilnya temperatur benda ditentukan oleh tingkat energi kinetik yang dimiliki oleh molekul penyusun benda.

Gambar 2 derajat panas benda berhubungan dengan perubahan fase benda dan ditentukan oleh besarnya energi kinetik yang dimiliki oleh molekul-molekul penyusun benda

kalor dapat berpindah dari satu benda ke benda yang lainnya. kalor berpindah dari benda yang memiliki kalor lebih besar ke benda yang memiliki kalor lebih kecil. kalor juga didefinisikan sebagai fluida yang tidak kelihatan. karena sebagai fluida, maka kalor dapat mengalir. hal yang menyebabkan kalor mengalir adalah beda temperatur benda. kalor mengalir dari benda  atau reservoir yang memiliki temperatur yang lebih tinggi ke benda atau reservoir yang memiliki temperatur lebih rendah. perhatikan gambar berikut ini.

Gambar 3 terdapat 2 benda A dan B yang berbeda temperatur dan terpisah secara termal

Pada gambar 3 terdapat 2 buah benda yaitu benda A dan benda B yang memiliki temperatur yang berbeda. temperatur benda A lebih tinggi daripada temperatur benda B. Pada kondisi 1, benda A dan benda B terpisah secara termal sehingga antara benda A dan benda B tidak terdapat kontak termal. Pada kondisi 2 benda A ditempelkan ke benda B sehingga antara benda A dan benda B terdapat kontak termal. Karena temperatur benda A lebih tinggi dari pada temperatur benda B maka kalor dari benda A akan berpindah ke benda B. Akibatnya, temperatur benda A akan turun dan temperatur benda B akan naik. kondisi ini terus berlangsung hingga temperatur benda A sama dengan temperatur benda B (kondisi 3). Pada saat temperatur benda A sama dengan temperatur benda B maka kedua benda berada pada kondisi setimbang termal. Pada saat kedua benda dalam kondisi kesetimbangan termal, tidak ada lagi kalor yang berpindah dari A ke B atau dari B ke A. (catatan : kondisi lingkungan diabaikan).

Pertanyaannya bagaimana dengan 3 buah benda yang berbeda temperatur ?

Misalkan terdapat 3 buah benda yang memiliki temperatur yang tidak sama, yaitu benda A, benda B dan benda C. Temperatur benda A lebih besar dari pada temperatur benda B dan benda C, temperatur benda B lebih besar dari pada temperatur benda C. Perhatikan gambar berikut ini.

Gambar 4 terdapat 3 buah benda dengan temperatur yang berbeda yaitu Ta > Tb > Tc

kondisi 1

Gambar  5 benda A kontak termal dengan benda C, demikian juga benda B kontak termal dengan benda, tetapi benda A dan B terpisah secara termal

Maka kalor akan berpindah dari benda A ke benda C dan kalor benda B akan berpindah ke benda C hingga terbentuk kesetimbangan termal antara ketiga benda.

kondisi 2

Gambar 6 benda B kontak termal dengan benda C , benda C kontak termal dengan benda B

Pada kondisi ini kalor akan berpindah dari benda A ke benda B dan kalor benda B akan berpindah ke benda C hingga terbentuk kesetimbangan termal antara ketiga benda

kondisi 3

Gambar 7 benda A, B dan C berada pada kondisi kontrak termal

Pada kondisi 3 kalor akan berpindah dari benda A ke benda B dan ke benda C. Kalor benda B akan berpindah ke benda C hingga ketiga benda mencapai kesetimbangan termal.

kondisi 4

Gambar 8 benda A dengan benda C kontak termal, benda A dengan benda B kontak termal

Pada kondisi ini agak unik, karena kalor dari benda A akan berpindah ke benda B dan benda C. Hal ini terjadi karena temperatur benda A lebih besar dari benda C dan benda B dan antara benda A dan C terdapat kontak termal, demikian juga benda A dan B juga terdapat kontak termal. Benda A dan benda B akan lebih dahulu mencapai kesetimbangan termal, tetapi kondisi kesetimbangan termal A dan B masih memiliki temperatur yang lebih tinggi dari benda C. Akibatnya kalor akan berpindah lagi dari benda A dan B yang sudah setimbang termal ke benda C hingga ketiga benda mencapai kesetimbangan termal. (catatan : ketiga benda harus memiliki kapasitas panas yang sama besarnya).

Dalam kehidupan sehari-hari banyak kita jumpai fenomena yang menggambarkan hukum ke 0 termodinamika. Misalnya pada saat kita membuat air hangat untuk mandi. Kita mencampur air panas dengan air dingin. Pada saat air panas dicampur dengan air dingin, maka kalor akan berpindah dari air panas ke air dingin. Proses perpindahan panas ini berlangsung beberapa saat hingga tercapai kesetimbangan termal antara air panas dengan air dingin. Pada saat tercapai kesetimbangan termal antara air panas dengan air dingin, temperatur air panas akan turun sedangkan temperatur air dingin akan naik menuju ke temperatur kesetimbangan termal.

Waktu kita mencelup badan ke dalam air hangat yang sudah mencapai kesetimbangan termal, maka tubuh kita akan merasakan panas air. Hal ini menunjukan ada sebagian kalor yang berpindah dari air ke tubuh kita. Hal ini terjadi karena tubuh memiliki temperatur yang lebih rendah dibandingkan dengan campuran air hangat.  Setelah berendam beberapa saat kita tidak akan merasa panas lagi, karena telah tercapai kesetimbangan termal antara tubuh dan air.

Waktu kita keluar dari bak mandi setelah berendam dari air panas, maka tubuh akan terasa dingin. Ini terjadi karena temperatur ruangan lebih rendah dibandingkan dengan temperatur tubuh kita akibatnya sejumlah kalor dari tubuh berpindah ke udara di sekitar kita. Pada saat kalor keluar dari tubuh kita, kita akan merasa lebih dingin.

Masih banyak lagi contoh penerapan hukum ke 0 termodinamika di sekitar kita.