Dalam ilmu fisika, hukum termodinamika adalah fondasi untuk memahami sifat-sifat energi dan perubahan dalam sistem alami. Hukum termodinamika 3 adalah salah satu dari tiga hukum utama yang membahas tentang entropi dan sifat materi pada suhu sangat rendah.
Artikel ini akan menyelami Hukum termodinamika ketiga secara detail, mencakup pengertian, bunyi, dasar hukum, dan prosesnya. Mari kita eksplorasi lebih dalam!
Daftar ISI
Pengertian Hukum Termodinamika 3
Hukum termodinamika ketiga, dikenal juga sebagai Hukum Nol Mutlak, berfokus pada perilaku sistem fisika saat suhu mendekati nol mutlak, yaitu suhu paling rendah yang dapat dicapai di alam semesta (-273.15 derajat Celsius atau 0 Kelvin).
Pada suhu ini, sifat-sifat unik materi menjadi lebih jelas dan pentingnya entropi semakin terlihat. Ada beberapa istilah yang perlu diketahui untuk memperdalam pengetahuan tentang Hukum termodinamika 3.
1. Pengertian Entropi
Sebelum memahami hukum termodinamika ketiga, penting untuk memahami konsep entropi. Entropi, yang diwakili dengan simbol “S”, adalah ukuran ketidakteraturan atau keteraturan dalam sistem fisik.
Semakin tinggi nilai entropi, semakin tidak teratur atau kacau sistem tersebut. Sebagai contoh, jika Anda memiliki sebuah kotak berisi bola-bola yang berwarna-warni dan teratur, nilai entropi kotak tersebut akan rendah karena bola-bola tersusun dengan rapi dan teratur.
Namun, jika Anda mengacak bola-bola tersebut sehingga tersusun secara acak, nilai entropi kotak tersebut akan meningkat karena ketidakteraturan dalam susunan bola-bola.
2. Suhu Mutlak Nol
Suhu mutlak nol adalah suhu paling rendah yang dapat dicapai dalam alam semesta. Pada suhu ini, energi kinetik molekul suatu benda adalah nol, yang berarti benda tersebut tidak memiliki gerakan termal sama sekali. Suhu mutlak nol ditandai dengan nilai 0 Kelvin (0 K) atau -273.15 derajat Celsius.
3. Entropi pada Suhu Mutlak Nol
Hukum termodinamika ketiga menyatakan bahwa saat suhu mendekati nol mutlak, entropi sistem mendekati nol (S → 0). Artinya, ketika suhu mencapai nol mutlak, entropi sistem mencapai nilai minimum, yang disebut “nol mutlak.”
Ini berarti bahwa pada suhu mutlak nol, molekul materi akan mencapai keadaan terendah energi mereka, yang disebut keadaan dasar. Pada titik ini, tidak ada perubahan tambahan dalam entropi karena sistem telah mencapai keadaan paling teratur dan stabil.
4. Pendekatan Menuju Suhu Mutlak Nol
Meskipun mencapai suhu mutlak nol dalam praktiknya tidak mungkin, para ilmuwan dapat mendekati suhu ini dengan menggunakan teknik-teknik khusus dalam ilmu fisika dan kriogenik (ilmu tentang suhu sangat rendah).
Beberapa metode yang umum digunakan adalah pendinginan dengan menggunakan bahan kriogenik, seperti helium cair atau nitrogen cair, yang mampu mencapai suhu sangat rendah.
5. Fenomena pada Suhu Sangat Rendah
Pada suhu sangat rendah yang mendekati nol mutlak, beberapa fenomena unik terjadi dalam materi. Contoh fenomena ini termasuk fenomena superkonduktivitas, di mana beberapa material kehilangan resistivitas listrik mereka dan mengalirkan listrik tanpa kehilangan energi.
Fenomena ini berperan penting dalam pengembangan teknologi, seperti MRI dan sistem penyimpanan energi. Selain itu, suhu sangat rendah juga berdampak pada perilaku fisika materi, seperti perubahan fase, perubahan sifat magnetik, dan fenomena kuantum.
Beberapa eksperimen yang dilakukan pada suhu sangat rendah telah menghasilkan penemuan-penemuan fundamental dalam ilmu fisika dan telah menginspirasi banyak riset lebih lanjut.
Bunyi Hukum Termodinamika 3
“Hukum termodinamika ketiga menyatakan bahwa tidak mungkin mencapai nol mutlak dalam jumlah fase yang terbatas dalam sistem fisik.”
Dasar Hukum Termodinamika 3
Hukum termodinamika ketiga pertama kali dirumuskan oleh Walter Nernst pada tahun 1906 dan dianggap sebagai bagian integral dari hukum termodinamika yang lebih luas. Dasar hukum dari hukum termodinamika ketiga melibatkan konsep entropi dan sifat materi pada suhu sangat rendah.
Entropi, yang diwakili dengan simbol “S”, adalah ukuran ketidakteraturan atau keteraturan dalam sistem. Suatu sistem bisa makin kacau atau tidak teratur jika entropinya semakin tinggi.
Pada suhu mutlak nol, molekul materi akan mencapai keadaan terendah energi mereka, yang disebut keadaan dasar. Dengan demikian, entropi pada suhu mutlak nol adalah nol.
Hukum termodinamika ketiga menyatakan bahwa sistem fisik tidak mungkin mencapai suhu nol mutlak dalam jumlah langkah yang terbatas.
Meskipun pada prakteknya tidak mungkin mencapai suhu mutlak nol, pendekatan menuju nol mutlak terus memperjelas sifat-sifat unik materi dan menyingkap misteri entropi.
Proses Hukum Termodinamika 3
Proses untuk mencapai suhu sangat rendah dan mendekati nol mutlak biasanya melibatkan teknik-teknik khusus dalam ilmu fisika dan kriogenik (ilmu tentang suhu sangat rendah).
Salah satu metode yang umum digunakan adalah pendinginan dengan menggunakan bahan kriogenik, seperti helium cair atau nitrogen cair, yang mampu mencapai suhu sangat rendah.
Pada suhu sangat rendah, beberapa fenomena unik terjadi dalam materi. Salah satu contoh adalah fenomena superkonduktivitas, di mana beberapa material kehilangan resistivitas listriknya dan mengalirkan listrik tanpa kehilangan energi.
Fenomena ini berperan penting dalam pengembangan teknologi, seperti MRI dan sistem penyimpanan energi.
Selain itu, suhu sangat rendah juga berdampak pada perilaku fisika materi, seperti perubahan fase, perubahan sifat magnetik, dan fenomena kuantum. Beberapa eksperimen yang dilakukan pada suhu sangat rendah telah menghasilkan penemuan-penemuan fundamental dalam ilmu fisika dan telah menginspirasi banyak riset lebih lanjut.
Rumus Hukum Termodinamika 3
Rumus Hukum Termodinamika 3 dapat dinyatakan sebagai berikut:
Saat suhu mutlak (T) mendekati nol (0 K atau -273.15 °C), entropi (S) dari suatu substansi murni mendekati nol (S → 0).
Secara matematis, rumus hukum termodinamika ketiga dapat dinyatakan sebagai berikut:
limT→0 S=0
Di mana:
- T: Suhu sistem (dalam Kelvin).
- S: Entropi sistem.
Contoh Soal & Pembahasannya
Berikut ini adalah contoh soal beserta pembahasan Hukum Termodinamika 3:
Contoh Soal 1:
Sebuah materi X memiliki entropi sebesar 50 J/K pada suhu 273 K. Hitung entropi materi tersebut saat suhu mendekati nol (0 K).
Jawaban 1:
Berdasarkan hukum termodinamika ketiga, saat suhu mendekati nol (0 K), entropi mendekati nol (S → 0). Jadi, entropi materi X saat suhu mendekati nol adalah 0 J/K.
Contoh Soal 2:
Benda Y memiliki entropi sebesar 100 J/K pada suhu 300 K. Berapa entropi benda tersebut saat suhu mencapai -50 °C?
Jawaban 2:
Kita perlu mengubah suhu dari -50 °C menjadi kelvin:
T (K) = -50 °C + 273.15 = 223.15 K
Selanjutnya, kita dapat menggunakan hukum termodinamika ketiga:
Saat suhu mendekati nol (0 K), entropi mendekati nol (S → 0).
Jadi, entropi benda Y saat suhu mencapai -50 °C adalah mendekati nol, yaitu 0 J/K.
Contoh Soal 3:
Suatu material Z memiliki entropi sebesar 80 J/K pada suhu 350 K. Jika suhu material tersebut dinaikkan menjadi 450 K, berapa perubahan entropi yang terjadi?
Jawaban 3:
Kita akan menggunakan perubahan entropi yang dihitung dari selisih antara entropi awal dan entropi akhir:
ΔS = S akhir – S awal
ΔS = 450 J/K – 350 J/K
ΔS = 100 J/K
Jadi, perubahan entropi yang terjadi saat suhu material Z dinaikkan dari 350 K menjadi 450 K adalah sebesar 100 J/K.
Apakah Kamu Sudah Paham Tentang Hukum Termodinamika 3?
Hukum Termodinamika 3, atau Hukum Nol Mutlak, membawa kita pada perjalanan ke suhu sangat rendah yang mendekati nol mutlak. Pada suhu ini, materi menunjukkan sifat-sifat unik dan perubahan dalam entropi menjadi jelas.
Meskipun mencapai suhu mutlak nol mungkin tidak mungkin dalam praktiknya, pendekatan menuju suhu ini telah menginspirasi banyak eksperimen dan penemuan yang mengubah pandangan kita tentang alam semesta.
Hukum termodinamika ketiga memberikan landasan yang kuat untuk memahami perilaku sistem fisika pada suhu sangat rendah dan memainkan peran penting dalam ilmu fisika dan teknologi.
Seiring dengan hukum termodinamika pertama dan kedua, hukum termodinamika ketiga menjadi dasar penting dalam memahami bagaimana energi dan materi berinteraksi dalam sistem alami dan industri. Dengan pemahaman yang lebih dalam tentang hukum-hukum ini, kita dapat mengaplikasikan pengetahuan ini untuk menciptakan teknologi baru dan memahami alam semesta yang lebih luas.
