Kapasitas kalor

Kapasitas kalor gas adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu gas sebesar 1°C, untuk volume tetap disebut CV dan untuk tekanan tetap disebut Cp.

Secara matematis, kapasitas kalor (C) dinyatakan dengan persamaan :

C = Q/ΔT                                         (1–18)

Pada gas, perubahan suhu dapat dilakukan dengan proses isobarik atau proses isokhorik. Dengan demikian, kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi dua, yakni kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp) dan kapasitas kalor pada volume tetap (V). Perumusan kedua pada kapasitas kalor tersebut secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

C_p = Q_P/ΔT  dan   C_V = Q_V/ΔT          (1–19)

Jika besaran Q_P dan Q_V dimasukkan ke dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika, akan didapatkan persamaan berikut.

a. Pada proses isokhorik

Q_V = ΔU + W                                   (1–20)

Oleh karena dalam proses ini volume sistem tetap (ΔU = 0) maka usaha sistem W = 0 sehingga didapatkan persamaan :

Q_V = ΔU                                           (1–21)

b. Pada proses isobarik

Q_P = ΔU + W

Oleh karena dalam proses ini tekanan sistem tetap ( Δp + 0), usaha sistem W = p ΔV. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika dapat dituliskan

Q_P = ΔU + p ΔV                               (1–22)

Dengan melakukan substitusi Persamaan (1–21) ke Persamaan (1–22) dapat dituliskan persamaan

Q_p = ΔU + p ΔV atau Q_p – Q_V = p ΔV              (1–23)

Selanjutnya, jika Persamaan (9–19) disubstitusikan Persamaan (1–23) akan diperoleh persamaan

(C_p ΔT) – (C_V ΔT) = p ΔV

(C_p C_V)ΔT = p ΔV

C_p – C_V = p ΔV / ΔT                          (1–24)

Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal pV = nRT, Persamaan (1–24) dapat dituliskan menjadi

C_p – C_V = nR                                     (1–25)

Untuk gas monoatomik, energi dalam gas dinyatakan dengan persamaan :

ΔU = 3/2 nRΔT

Dengan demikian, kapasitas kalor pada proses isokhorik (Q_V = ΔU) dapat dituliskan sebagai :

C_V = 3/2 nR (9–26)

Siklus Carnot

Proses melingkar adalah suatu proses pada suatu system setelah mengalami beberapa perubahan keadaan, akhirnya kembali pada keadaan semula.

Pada proses melingkar, system berubah kemudian kembali ke keadaan semula. Energy dalam proses melingkar tidak berubah.

Sebuah proses reversible adalah sebuah proses yang berlangsung sedemikian sehingga pada akhir proses, system dan keliling local ( local surroundings) dapat dikembalikan ke keadaan mula-mula, tanpa meninggalkan suatu perubahan pada sisa universum (rest of universe). Universum disini digunakan dalam arti teknis, yaitu sempit sekali tanpa suatu pengertian kosmos.

Universum disini artinya tidak lain adalah bagian yang berhingga dari dunia yang terdiri dari system dan kelilingnya yang dapat mengadakan interaksi dengan system itu. Sebuah proses yang tidak memenuhi syarat-syarat diatas disebut irreversible.

Sebagai konsekuensi hukum kedua Termodinamika yang memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energy dan memperkenalkan prinsip peningkatan entropi, maka semua proses alam adalah irreversible.

Pengubahan usaha menjadi energy dalam sebuah system kalor berlangsung dengan disertai gejala-gejala seperti gesekan viskositas, inelastisitas, tahanan listrikndan listeresisi magnetic. Efek-efek ini disebut efek-efek disipatif dan usaha itu dikatakan terdissipasi.

Proses-proses yang disertai dissipasi usaha menjadi energy dalam dikatakan menunjukkan irreversible mekanik luar. Irreversibilitas lainnya ialah irreversibilitas mekanik dalam, irreversibilitas termik, irreversibilitas kimia. Kalau berbagai macam proses alam diselidiki dengan teliti maka ternyata bahwa semuanya disertai salah satu dari dua sifat berikut.

Tidak dipenuhinya syarat-syarat untuk kesetimbangan termodinamika, yaitu tidak adanya kesetimbangan mekanik, termik dan kimia.Adanya efek disipatif, seperti geseran, viskositas, anelastisitas, tahanan listrik dan listeresis magnetic.

Maka dapat ditarik kesimpulan, bahwa sebuah proses akan reversible kalau

1. Proses itu berlangsung quasi-statik
2. Proses itu tidak disertai efek-efek desipatif.

Karena tidak mungkin bentuk memenuhi kedua syarat itu dengan sempurna maka jelaslah bahwa sebuah proses reversible adalah sesuatu yang hayal atau ideal.

Proses reversible sangat berguna dalam perhitungan teori dalam hal ini, pengandaian proses reversible dalam termodinamika serupa dengan pengandaian yang seringkali dijumpai dalam mekanika, misalnya pengandaian kawat yang tidak bermassa, katrol tanpa geseran dan titik massa.

A.                   MESIN KALOR CARNOT

Ketika system dalam suatu mesin menjalani sebagian daurnya, sejumlah kalor diserap dari reservoir panas, pada bagian lain dari daur itu kalor yang jumlahnya lebih sedikit dibuang ke reservoir yang lebih dingin. Jadi boleh dikatakan bahwa mesin bekerja diantara sepasang reservoir ini. Menurut kenyataannya sejumlah kalor selalu dibuang ke reservoir yang lebih dingin, sehingga efisiensi mesin tidak akan pernah mencapai 100%.

Ada 3 hal yang penting mengenai mesin.

1.       Berapa daya guna maksimum yang dapat dicapai oleh suatu mesin yang bekerja antara kedua reservoir itu.

2.       Bagaimana karakteristik mesin.

3.       Apa pengaruh sifat zat kerja.

Untuk menjawab pertnyaan ini Nicelai Leonard Sadi Carnot (1824) seorang insinyur ulung bangsa perancis memikirkan sebuah siklis ideal yang sekarang terkenal dengan siklus Carnot. Siklus carnot terdiri atas dua proses isothermal reversible dan dua proses adiabatic reversible.

Siklus Carnot terdiri dari 4 proses sebagai berikut:

·         Proses adiabatic reversible dalam arah sedemikian sehingga suhu naik sampai suhu T₁dari reservoir panas.

·         Zat kerja tetap berhubungan dengan reservoir dengan suhu T₁dan menjalani proses isotermik reversible dalam arah dan waktu sedemikian sehingga jumlah kalor Q₁ diserap dari reservoir tersebut, (Penyerapan kalor terjadi pada suhu konstan yaitu suhu dari reservoir panas).

·         Proses adiabatic reversible dalam arah berlawanan dengan proses pertama sehingga suhu turun sampai suhu T₂ dari reservoir dingin.

·         Zat kerja tetap berhubungan dengan reservoir pada T₂ dan mengalami proses isothermik reversible dalam arah belawanan dengan proses kedua sampai zat kerja mencapai keadaan mula-mula. Selama proses ini kalor Q₂ diberikan kepada reservoir dingin (Pengeluaran kalor terjadi pada suhu konstan yaitu suhu dari reservoir dingin)

Suatu mesin yang menjalani siklus carnot disebut mesin carnot. Sedangkan mesin kalor carnot adalah suatu mesin yang mengubah energy kalor menjadi energy mekanik. Karena keempat proses dari siklus tersebut reversible maka siklus carnot adalah siklus reversible.

Q₂= Kalor masuk

W= Usaha yang dihasilkan

Q₁= Kalor yang keluar atau energy kalor yang tidak terpakai atau terbuang

Q₂ dari reservoir panas, Q₁ dari reservoir dingin.

Usaha W=Q₂-Q₁

Kalor Laten

Sebagaimana telah kita lihat dalam bagian sebelumnya, suatu zat dapat mengalami perubahan suhu ketika energi ditransfer antara zat tersebut dan sekitarnya. Dalam beberapa situasi, transfer energi tidak mengakibatkan perubahan suhu. Ini adalah kasus kapanpun karakteristik fisik dari perubahan substansi dari satu bentuk ke bentuk lainnya, perubahan tersebut sering disebut sebagai perubahan fase. Dua perubahan fasa umum adalah dari padat menjadi cair (mencair) dan dari cair ke gas (mendidih), yang lain adalah perubahan dalam struktur kristal yang solid. Semua perubahan fase tersebut melibatkan perubahan energi internal sistem tetapi tidak ada perubahan suhu. Kenaikan energi internal dalam mendidih, misalnya, diwakili oleh pemecahan ikatan antara molekul dalam keadaan cair, ini melanggar ikatan memungkinkan molekul untuk bergerak jauh terpisah dalam bentuk gas, dengan peningkatan yang sesuai dalam energi potensial antarmolekul. 

Seperti yang Anda duga, zat yang berbeda merespon secara berbeda terhadap penambahan atau pengurangan energi mereka ketika berubah fase karena pengaturan molekul internal mereka bervariasi. Juga, jumlah energi yang ditransfer selama fase perubahan tergantung pada jumlah zat yang terlibat. (Dibutuhkan sedikit energi untuk melelehkan es batu daripada yang dilakukannya untuk mencairkan danau beku.) Ketika membahas dua tahap material, kita akan menggunakan istilah bahan fase lebih tinggi yang berarti materi yang ada pada suhu yang lebih tinggi. Jadi, misalnya, jika kita membahas air dan es, air adalah bahan yang lebih tinggi fasenya, sedangkan uap adalah bahan yang lebih tinggi fasenya dalam membahas uap dan air. Pertimbangkan sebuah sistem yang mengandung zat dalam dua tahap dalam kesetimbangan seperti air dan es. Jumlah awal bahan fase tinggi, air, dalam sistem adalah m_i. Sekarang bayangkan bahwa energi Q memasuki sistem. Akibatnya, jumlah akhir air m_f karena mencairnya sebagian es. Oleh karena itu, jumlah es yang mencair, sama dengan jumlah air yang baru, adalah ∆m = m_f - m_i. Kita mendefinisikan kalor laten untuk perubahan fasa sebagai:

L ≡ Q/∆m                                                                            (20.6)

Parameter ini disebut kalor laten (harfiah, kalot "tersembunyi") karena ini penambahkan atau pengurangan energi yang tidak mengakibatkan perubahan suhu. Nilai L untuk bahan tergantung pada sifat dari perubahan fasa serta sifat-sifat zat. Jika seluruh jumlah bahan berfase lebih rendah mengalami perubahan fase, perubahan massa ∆m dari bahan berfase lebih tinggi adalah sama dengan massa awal bahan berfase lebih rendah. Sebagai contoh, jika es batu bermassa m di piring mencair sepenuhnya, perubahan massa air m_f - 0 =m, yang merupakan massa air baru dan juga sama dengan massa awal es batu.

Dari definisi kalor laten, dan lagi memilih kalor sebagai mekanisme transfer energi kita, energi yang dibutuhkan untuk mengubah fase zat murni

Q = L ∆m                                                                  (20.7)

di mana ∆m adalah perubahan massa bahan yang fasenya lebih tinggi.

Kalor laten fusi L_f adalah istilah yang digunakan ketika perubahan fase dari padat menjadi cair (untuk memadukan cara "menggabungkan dengan peleburan"), dan kalor laten penguapan L_v adalah istilah yang digunakan ketika perubahan fasa dari cair ke gas (cairan "menguap"). Kalor laten berbagai zat bervariasi seperti data yang ditunjukkan pada Tabel 20.2. Ketika energi memasuki sistem, menyebabkan pencairan atau penguapan, jumlah bahan dengan fase lebih tinggi meningkat, sehingga ∆m positif dan Q adalah positif, konsisten dengan konvensi tanda kita. Ketika energi diekstrak dari sistem, menyebabkan pembekuan atau kondensasi, jumlah materi dengan fase lebih tinggi menurun, sehingga ∆m adalah negatif dan Q adalah negatif, sekali lagi konsisten dengan konvensi tanda kita. Perlu diingat bahwa ∆m dalam Persamaan 20.7 selalu mengacu pada materi dengan fase yang lebih tinggi.

Untuk memahami peran dari kalor laten dalam perubahan fase, mempertimbangkan energi yang dibutuhkan untuk mengubah sebuah kubus es 1,0 g pada suhu -30,0 ⁰C menjadi uap pada suhu 120,0 ⁰C. Gambar 20.3 menunjukkan hasil eksperimen yang diperoleh ketika energi secara bertahap ditambahkan ke es. Hasil disajikan sebagai grafik suhu sistem es batu dibandingkan energi yang ditambahkan ke sistem. Mari kita periksa setiap bagian dari kurva merah-coklat, yang dibagi menjadi beberapa bagian A sampai E.

Bagian A. Pada bagian kurva ini, perubahan suhu es dari -30,0 ⁰C sampai 0,0 ⁰C. Persamaan 20.4 menunjukkan bahwa suhu berubah secara linear dengan energi yang ditambahkan, sehingga hasil eksperimen adalah garis lurus pada grafik. Karena kalor jenis es 2090 J/kg∙⁰C, kita dapat menghitung jumlah energi yang ditambahkan dengan menggunakan Persamaan 20.4:

Q = m_ic_i ∆T = (1,0 x 10^-3 kg) (2090 J/kg∙⁰C) (30,0 ⁰C) = 62,7 J

Bagian B. Ketika suhu es mencapai 0,0 ⁰C, campuran es-air tetap pada suhu ini-bahkan meskipun energi yang ditambahkan- sampai semua es mencair. Energi yang dibutuhkan untuk mencairkan 1,00 g es pada suhu 0,0⁰C, dari Persamaan 20.7,

Q = L_f ∆m_w = L_fm_i = (3,33 x 10⁵ J/kg) (1.00 x 10^-3 kg) = 333 J

Pada titik ini, kita telah pindah ke 396 J (=62,7 J + 333 J) tanda pada sumbu energi pada Gambar 20.3.

Bagian C. Antara 0,0 ⁰C dan 100,0 ⁰C, ada yang mengejutkan terjadi. Tidak ada perubahan fase terjadi, dan sehingga semua energi yang ditambahkan ke dalam air digunakan untuk meningkatkan suhu. Jumlah energi yang diperlukan untuk meningkatkan suhu dari 0,0 ⁰C sampai 100,0 ⁰C:

Q = m_wc_w ∆T = (1,00 x 10^-3 kg) (4,19 x 10³ J/kg∙⁰C) (100,0 ⁰C) = 419 J

Bagian D. Pada 100,0 ⁰C, perubahan fasa yang lain terjadi karena perubahan air dari air pada 100,0 ⁰C menjadi uap pada 100,0 ⁰C. Serupa dengan campuran air es di bagian B, campuran air-uap tetap pada 100,0 ⁰C-meskipun energi yang ditambahkan-sampai semua cairan telah dikonversi menjadi uap. Energi yang dibutuhkan untuk mengkonversi 1,00 g air menjadi uap pada 100,0 ⁰C:

Q = L_v ∆m_s = L_vm_w = (2,26 x 10⁶ J/kg) (1,00 x 10^-3 kg) = 2,26 x 10³ J

Bagian E. Pada bagian kurva ini, seperti di bagian A dan C, tidak ada perubahan fase terjadi, karena itu, semua energi yang ditambahkan digunakan untuk meningkatkan suhu uap. Energi yang harus ditambahkan untuk menaikkan suhu uap dari 100,0 ⁰C sampai 120,0 ⁰C:

Q = m_sc_s ∆T = (1,00 x 10^-3 kg) (2,01 x 10³ J/kg∙⁰C) (20,0 ⁰C) = 40,2 J

Jumlah total energi yang harus ditambahkan untuk mengubah 1 g es pada suhu -30,0 ⁰C menjadi uap pada suhu 120,0 ⁰C adalah jumlah dari hasil dari lima bagian kurva, yaitu 3,11 x 10³ J. Sebaliknya, untuk mendinginkan 1 g uap pada 120,0 ⁰C menjadi es pada suhu -30,0 ⁰C, kita harus menghilangkan 3,11 x 10³ J energi.

Perhatikan pada Gambar 20.3 jumlah yang relatif besar dari energi yang ditransfer ke dalam air untuk diuapkan menjadi uap. Bayangkan membalikkan proses ini, dengan sejumlah besar energi yang ditransfer dari uap mengembun menjadi air. Itu sebabnya luka bakar pada kulit Anda dari uap pada suhu 100⁰C jauh lebih merusak daripada paparan kulit Anda ke air pada suhu 100 ⁰C. Sejumlah  energi yang sangat besar memasuki kulit Anda dari uap, dan uap tetap pada 100 ⁰C untuk waktu yang lama sementara itu mengembun. Sebaliknya, bila kulit Anda mengalami kontak dengan air pada suhu 100 ⁰C, air segera mulai turun suhunya sebagai transfer energi dari air ke kulit Anda.

Jika air cair dibiarkan diam dalam wadah yang sangat bersih, adalah mungkin bagi air untuk turun suhunya di bawah 0 ⁰C tanpa membeku menjadi es. Fenomena ini, yang disebut supercooling (pendinginan), muncul karena air memerlukan gangguan semacam molekul untuk bergerak terpisah dan mulai membentuk jadi besar, struktur es terbuka yang membuat kepadatan es lebih rendah dari air seperti yang dibahas dalam Bagian 19.4. Jika air super dingin terganggu, ia tiba-tiba membeku. Sistem menetes ke konfigurasi energi yang lebih rendah dari molekul terikat dari struktur es, dan energi yang dilepaskan menaikkan suhu kembali ke 0 ⁰C.

Tangan komersial penghangat terdiri dari natrium asetat cair dalam kantong plastik tertutup. Solusi dalam kantong dalam keadaan stabil superdingin. Ketika disk dalam kantong diklik oleh jari-jari Anda, cairan membeku dan suhu meningkat, seperti air super dingin yang disebutkan. Dalam kasus ini, bagaimanapun, titik beku cairan lebih tinggi dari suhu tubuh, sehingga kantong terasa hangat saat disentuh. Untuk menggunakan kembali tangan hangat, kantong harus direbus sampai padat mencair. Kemudian, karena cools, melewati bawah titik beku ke keadaan super dingin. 

Hal ini juga memungkinkan untuk membuat superheating. Misalnya, air bersih dalam cangkir sangat bersih ditempatkan dalam oven microwave kadang-kadang dapat kenaikan suhu melebihi 100 ⁰C tanpa mendidih karena pembentukan gelembung uap dalam air membutuhkan goresan dalam cangkir atau beberapa jenis kotoran dalam air untuk melayani sebagai situs nukleasi. Ketika cangkir dipindahkan dari oven microwave, air superheated bisa menjadi ledakan seperti gelembung yang terbentuk segera dan air panas dipaksa ke atas dari cangkir (Serway,2010:572-575).

Suhu

Secara umum, kecepatan reaksi bertambah besar jika suhu reaksi kita naikan, lebih mudah melarutkan satu sendok gula ke dalam satu gelas air panas, dibandingkan dengan melarutkan satu sendok gula ke dalam satu gelas air es.
Hal ini disebabkan karena meningkatnya suhu akan meningkatkan energi kinetik molekul-molekul yang bereaksi. Molekul-molekul dengan energi kinetik yang bertambah ini bila saling bertumbukan akan menghasilkan energi tumbukan yang cukup besar untuk memutuskan ikatan-ikatan antara atom-atom dalam molekul tersebut, sehingga terjadi reaksi.
Berdasarkan persamaan reaksi, kecepatan reaksi ditentukan oleh harga k yaitu tetapan kecepatan reaksi. Harga k sangat tergantung oleh besarnya energi aktifasi dan suhu. Energi aktifasi didefinisikan sebagai energi terendah yang diperlukan untuk mencari keadaan dimana reaksi dapat berlangsung, lihat Gambar 10.12.

Gambar 10.12. Pelarutan kristal gula dalam air yang suhu T1>T2.
Hubungan antara tetapan kecepatan reaksi ini dengan kenaikan suhu dirumuskan oleh Archenius sebagai berikut:

k = konstanta kecepatan reaksi
A = tetapan Archenius
Ea = energi pengaktifan
R = tetapan gas umum
T = suhu mutlak
Arhenius juga mengamati didalam eksperimennya khusus reaksi-reaksi yang berlangsung pada temperatur dibawah 300°C, kenaikan suhu sebesar 10°C akan menaikkan tetapan kecepatan reaksi menjadi dua kali, sehingga kecepatan reaksinyapun meningkat dua kali.

Hukum II Termodinamika

Hukum pertama termodinamika hanya mengatakan bahwa energi yang dihasilkan suatu mesin dalam bentuk energi mekanis sama dengan selisih antara energi yang diserap dan yang terbuang dalam bentuk kalor. Hukum ini tidak memberikan batasan arah aliran kerja dan kalor. Dengan hukum pertama saja kita juga tidak dapat menentukan berapa besar energi yang diserap akan diubah menjadi energi mekanis.

            Kedua hal tersebut diatas menunjukan bahwa tinjauan hukum pertama saja tidak mencukupi untuk menyatakan peristiwa dapat terjadi atau tidak sehingga perlu dirumuskan suatu hukum untuk melengkapinya. Hukum ini disebut hukum kedua termodinamika.

            Hukum pertama termodinamika mendefisikan besaran energi dalam u. Dengan definisi ini, kita dapat menggunakan hukum pertama secara kuantitatif untuk menganalisis suatu proses. Hukum kedua Termodinamika juga mendefinisikan suatu besaran yang serupa yang disebut dengan entropi S. Dengan besaran ini kita akan dapat menggunakan hukum kedua untuk menganalisis suatu proses secara kuantitatif. Energi dalam dan entropi keduanya merupakan konsep dasar untuk memberikan suatu pengamatan tertentu termodinamika.

Bunyi hukum II termodinamika

“adalah tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas menjadi usaha mekanik”

            Terdapat dua pernyataan klasik dari hukum kedua termodinamika yang dikenal sebagai pernyataan Clausius dan penyataan Kelvin-Planck.

a.    Pernyatan Clausius:

”Tidak mungkin suatu proses dapat terjadi dengan sendirinya sehingga kalor diangkut dari tandon kalor suhu rendah ke tandon kalor suhu tinggi tanpa perubahan lain.”

Pernyataan ini pada dasarnya menyatakan bahwa untuk memindahkan kalor dari tandon dingin ke tandon kalor diperlukan kerja/usaha oleh ”sistem perantara”. Pernyataan ini berlaku untuk sebuah refrigerator (pompa kalor).

b.    Pernyataan Kelvin-Planck

”Tidak mungkin seluruh kalor yang diserap oleh suatu sistem seluruhnya diubah menjadi usaha/kerja”

Pernyataan ini pada dasarnya menyatakan bahwa perubahan kalor menjadi kerja tidak dapat terjadi 100%. Jadi selalu ada kalor yang terbuang. 

Tokoh-tokoh Penemu Termodinamika

1. Benjamin Thompson

Benjamin Thompson atau 'Count Rumford' (1753 – 1814) adalah penemu, ilmuwan, negarawan, dan tentara terkenal kelahiran Amerika. Benjamin Thompson dilahirkan di Woburn Utara, Massachusetts pada tanggal 26 Maret 1753 beragama Anglican. Ayahnya adalah seorang petani dan meninggal ketika Benjamin Thompson berumur 2 tahun. Ibunya, Ruth Simonds menikah lagi dengan Josiah Pierce pada bulan Maret 1976. Di masa kecilnya, Benjamin Thompson memiliki keterbatasan untuk sekolah sehingga dia lebih banyak belajar sendiri dan kemudian mendapat banyak pengetahuan dari teman dan kenalannya. Pada usia 13 tahun, Benjamin Thompson mulai melakukan beberapa pekerjaan seperti menjadi juru tulis seorang importer, pedagang bahan kering dan kemudian magang di Doctor John Hay of Woburn, dimana Thompson mendapatkan banyak pengetahuan tentang ilmu medis. Bakat Thompson dalam bekerja dengan alat mekanis dan kemampuan bahasanya yang sangat baik membuat John Fowle, salah satu guru lulusan Harvard, membantunya untuk belajar dengan Professor John Winthrop di Harvard.
Pada tahun 1772, Thompson meninggalkan kota kelahirannya dan mengajar di salah satu sekolah di Bradford, Massachusetts sambil mempelajari ilmu pengetahuan pada Samuel Williams. Tidak beberapa lama kemudian, Thompson berpindah mengajar di Concord, New Hampshire atas undangan dari Timothy Walker. Di sana Benjamin Thompson hidup menumpang dan kemudian menikahi anak dari tuan rumahnya, Sarah Walker Rolfe yang merupakan janda kaya di daerah Concord. Istrinyalah yang memperkenalkan Thompson pada Gubernur Wentworth dari New Hampshire dan mengangkatnya menjadi mayor di New Hampshire Militia.
Pada saat revolusi Amerika meledak, Thompson diajak bergabung dengan Amerika untuk melawan Inggis karena dia memiliki hubungan penting dengan pemerintah Inggris namun dia menolak. Benjamin Thompson meninggalkan keluarganya di Amerika pada tahun 1974 dan bergabung dengan pemerintah Britania Raya (Inggris) sebagai penasihat Jenderal Thomas Gage. Pada tahun 1776, Thompson bekerja sebagai juru tulis di Sekretariat Negara kemudian jabatannya terus naik menjadi Sekretaris Provinsi Georgia, dan pada tahun 1779 Benjamin Thompson menjadi salah satu anggota Royal Society.
Selain politik, dunia militer juga digeluti oleh Benjamin Thompson. Benjamin Thompson pernah menjabat sebagai letnan kolonel pasukan Britania Raya dan mendapatkan gelar kesatrian dari Raja George III. Pada tahun 1785, Benjamin Thompson bergabung bersama pasukan Austria untuk melawan Turki dan di sana dia berkenalan dengan Pangeran Maximillian dari Bavaria yang mengundangnya untuk tinggal Bavaria. Thompson tinggal di Bavaria selama beberapa tahun untuk memimpin pasukan Bavaria yang kurang mendapatkan perhatian dan penghidupan yang layak, kemudian membuat perubahan besar di daerah tersebut. Para tentara diberi bayaran lebih tinggi, dibuatkan sarana rekreasi, dan diberikan pendidikan gratis baik untuk tentara maupun anak-anak mereka. Benjamin Thompson juga memberikan penghasilan kepada pengemis jalanan dengan mempekerjakan mereka untuk menjahit pakaian tentara Bavaria yang kurang layak pakai. Pada tahun 1971, Benjamin Thompson dianugerahi gelar Count of the Holy Roman Empire.
Di samping mengurusi masalah politik dan militer, Thompson juga aktif meneliti berbagai hal, terutama bidang Fisika. Sekitar tahun 1975, Benjamin Thompson meneliti tentang gaya pada bubuk mesiu dan membangun sistem sinyal kelautan yang baru bagi tentara Inggris. Kontribusinya yang terbesar pada dunia Fisika adalah pemikirannya tentang teori kalor. Pada akhir abad ke-18, teori kalori yang dipercaya adalah bahwa kalor merupakan fluida yang dapat mengalir ke dalam tubuh ketika dipanaskan dan mengalir keluar ketika didinginkan.
Saat meneliti tentang bubuk mesiu, Benjamin Thompson menemukan adanya penyimpangan atau anomali yang tidak dapat dijelaskan dengan teori kalori. Di dalam laporannya kepada Royal Society yang berjudul "An Experimental Enquiry concerning the Source of Heat excited by Friction" (1798), Benjamin Thompson mengajukan suatu teori baru yang menyatakan bahwa kerja mekanis akan menghasilkan kalor dan kalor tersebut merupakan suatu bentuk gerak. Teori tersebut berhasil memberikan penjelasan mengapa panas yang dihasilkan dari gesekan peluru meriam (bubuk mesiu) tidak akan pernah habis. Peristiwa itu tak dapat dijelaskan dengan teori kalori terdahulu.
Di dalam laporan tersebut terdapat perhitungan jumlah kuantitas kalor yang diproduksi oleh energi mekanis. Teori yang dikemukakan Thompson bertentangan dengan teori kalori yang terdahulu dan banyak orang pada saat itu yang tidak yakin dengan Thompson hingga James Maxwell mengemukakan teori kinetik kalor pada tahun 1871. Penemuan-penemuan Thompson lainnya adalah kompor, oven, ketel ganda, dan pakaian penahan panas, serta mengembangkan cerobong asap dan tungku perapian yang ada.
Pada tahun 1804, Thompson menetap di Paris dan menikah dengan Madame Lavoisier, janda seorang ahli kimia Perancis, Antoine Lavoisier. Pernikahan tersebut hanya bertahan beberapa tahun dan pada 1807 Benjamin Thompson pensiun dan menetap di desa Auteuil dekat Paris. Thompson menjadi anggota Institusi Nasional Perancis sebagai dan secara rutin berkontribusi dalam berbagai pertemuan dan debat ilmu pengetahuan.
Penghargaan yang pernah diraihnya adalah Copley Medal. Setelah perceraiannya, Thompson dirawat oleh anak perempuannya hingga pada tanggal 21 Agustus 1814, Benjamin Thompson meninggal di Auteuil, Paris pada usia 61 tahun. Dibangun Monumen Benjamin Thompson di English Garden.

2. Jacobus Henricus van 't Hoff

Jacobus Henricus van 't Hoff adalah kimiawan fisika dan organik Belanda dan pemenang Penghargaan Nobel dalam Kimia pada 1901 Penelitiannya pada kinetika kimia, kesetimbangan kimia, tekanan osmotik dan kristalografi diakui sebagai hasil karya utamanya. Jacobus juga mendirikan bidang ilmu kimia fisika, ia juga dianggap sebagai salah satu kimiawan terbesar sepanjang masa bersama kimiawan Perancis Antoine Lavoisier, Louis Pasteur dan ahli kimia Jerman Friedrich Wöhler. Ia lahir di Rotterdam, Belanda 30 Agustus 1852, anak ke-3 dari 7 bersaudara Jacobus Henricus van 't Hoff, seorang dokter dan Alida Jacoba Kolff. Pada 1869 memasuki Universitas Teknologi Delft dan menerima gelar diploma dalam teknologi pada 1871.
Setelah menghabiskan masa setahun di Leiden, terutama untuk matematika, ia pindah ke Bonn untuk bekerja dengan Kekule von Stradonitz 1872 - 1873; lalu dilanjutkan di Paris dengan C.A. Wurtz, saat ia menempuh sebagian besar kurikulum antara 1873-1874. Ia kembali ke Belanda pada 1874 mendapat gelar doktor bersama E. Mulder di Utrecht. Pada 1876 ia menjadi dosen di Fakultas Kedokteran Hewan di Utrecht dan meninggalkan kedudukan ini untuk jabatan yang sama di Universitas Amsterdam tahun berikutnya. Pada 1878 menjadi Guru Besar Kimia, Mineralogi, dan Geologi. Setelah menjabat selama 18 tahun ia menerima undangan ke Berlin sebagai Profesor Kehormatan dan keanggotaan di Akademi Ilmu Pengertahuan Kerajaan Prusia.
Alasan perubahan ini ialah karena ia terlalu dibebani dengan kewajiban memberi kuliah dasar dan menguji banyak mahasiswa, termasuk juga propaedeutika medis malah, membuat waktu untuk risetnya jadi berkurang. Ia adalah penasihat yang rajin untuk pembentukan pembagian khusus pekerja ilmiah. Ia tetap dalam kedudukan ini hingga akhir hayatnya. Pada 1878 ia menikahi Johanna Francina Mees. Mereka memiliki 2 putri, Johanna Francina (l. 1880) dan Aleida Jacoba (l. 1882) dan 2 putra, Jacobus Hendricus (l. 1883) dan Govert Jacob (l. 1889).
Van 't Hoff terkenal karena terbitannya membuka zaman baru. Tesis kedoktorannya (1874) berjudul Bijdrage tot de Kennis van Cyaanazijnzuren en Malonzuur (Sumbangan pada Pengetahuan Asam Sianoasetat dan Malonat). Beberapa bulan sebelumnya ia telah menerbitkan Voorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige in de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimte (Usulan untuk Pengembangan Rumus Struktur Kimia Tiga Dimensi). Selebaran kecil ini, terdiri atas 12 halaman teks dan 1 halaman diagram mendorong perkembangan stereokimia. Konsep "atom karbon asimetris", yang berhubungan dengan naskah ini mendukung penjelasan pembentukan sejumlah isomer yang tak bisa dijelaskan rumus struktur saat itu. Ia menekankan perhatian pada hubungan aktivitas optik dan kehadiran atom karbon asimetris.
Gagasan revolusionernya ini baru diakui setelah karyanya pada 1875 Chimie dans l'Espace-nya (Kimia dalam Ruang) terbit setelah terjemahan Jermannya muncul, dengan pasal pendahuluan dari J. Wislicenus. Melalui Dix Années dans l'Histoire d'une Théorie (Sepuluh Tahun perjalanan Sejarah Sebuah Teori) ia dihargai walau di saat yang sama Joseph Le Bel telah mengemukakan gagasan ini, meski dalam bentuk yang lebih abstrak. Pada 1884, sejak terbitnya Études de Dynamique chimique (Kajian mengenai Dinamika Kimia), ia memasuki bidang kimia fisika untuk pertama kali.
Sumbangan besarnya ialah mengenai pengembangan hukum termodinamika umum pada hubungan antara perubahan tekanan dan pemindahan kesetimbangan sebagai akibat variasi suhu. Pada volume tetap kesetimbangan dalam sebuah sistem akan cenderung berubah dalam arah untuk melawan perubahan suhu yang ditentukan pada sistem ini. Penurunan suhu menyebabkan lepasnya panas dan menaikkan suhu menyebabkan penyerapan panas. Asas kesetimbangan bergerak ini digeneralisasi 1885 oleh Henri Louis le Chatelier yang memperluas dengan perubahan volume untuk perubahan tekanan yang dipaksakan; ini dikenal sebagai asas van 't Hoff-Le Chatelier.
Di tahun 1885 L'Équilibre chimique dans les Systèmes gazeux ou dissous à I'État dilué (Kesetimbangan Kimia dalam Sistem Gas atau Larutan yang Ditambah Air). Di sinilah ia menunjukkan bahwa "tekanan osmotik" dalam larutan yang dicairkan secukupnya sebanding terhadap konsentrasi dan temperatur penuh agar tekanan ini bisa diwakili dengan rumus yang hanya menyimpang dari rumus tersebut untuk tekanan gas yang dilambangkan dengan i. Ia menentukan nilai i dengan sejumlah cara, sebagai contoh dengan menggunakan tekanan uap dan hukum Raoult pada penurunan titik beku. Demikian van 't Hoff bisa membuktikan bahwa hukum termodinamika tak hanya sah buat gas, namun juga buat larutan cair. Hukum tekanannya, yang diberikan keabsahan umum oleh teori disosiasi elektrolisis Arrhenius (1884-1887). Orang asing pertama yang datang untuk bekerja dengannya di Amsterdam (1888) – dianggap sebagai yang terlengkap dan terpenting dalam bidang Ilmu Pengetahuan Alam.
Pada saat di Berlin 1896 - 1905 ia sibuk pada masalah asal endapan samudera, dengan rujukan khusus yang dibentuk di Stassfurt. Pada kerja yang lebih luas ia dibantu khususnya oleh W. Meyerhoffer, yang sebelumnya telah bekerja dengannya di Amsterdam. Kemungkinan ialah orang pertama yang menerapkan hasil skala kecil di laboratorium, pada fenomena yang terjadi pada skala besar di alam. Hasil penyelidikan ini kebanyakan diterbitkan di Laporan Akademi Ilmiah Kerajaan Prusia, diringkaskan dalam karya 2 jilid Zur Bildung ozeanischer Salzablagerungen, 1905-1909. van 't Hoff amat menghargai kekuatan imajinasi dalam kerja ilmiah, sebagaimana nyata dalam pidato pelantikannya pada pengambilan jabatan profesornya di Amsterdam: Verbeeldingskracht in de Wetenschap (Kekuatan Imajinasi dalam Sains), ia tiba pada kesimpulan bahwa para ilmuwan yang menonjol telah memiliki kualitas tingkat tinggi ini. Wilhelm Ostwald, membuat Zeitschrift für physikalische Chemie dengannya di Leipzig, bisa dianggap sebagai pendiri kimia fisika.
Hadiah Nobel Kimia (1901) titik kulminasi karirnya. Pada 1885 diangkat sebagai anggota Akademi Ilmiah Kerajaan Belanda, setelah nominasinya tak dimasukkan pada 1880. Di antara medalinya yang lain ialah gelar doktor kehormatan dari Harvard dan Yale (1901), Universitas Victoria Manchester (1903), Heidelberg (1908); Medali Davy dari Royal Society (1893), Medali Helmholtz dari Akademi Ilmiah Kerajaan Prusia (1911); ia juga diangkat sebagai Chevalier de la Legion d'Honneur (1894), Senator der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft (1911). Ia juga anggota kehormatan Chemical Society, London (1898), Akademi Ilmiah Kerajaan, Gottingen (1892), American Chemical Society (1898), Académie des Sciences, Paris (1905).
Van 't Hoff pecinta alam, sebagai mahasiswa di Leiden ia sering ikut dalam perjalanan botanis dan kemudian di Bonn ia benar-benar menikmati pegunungan di sekitarnya, berjalan panjang sendiri atau bersama-sama. Deskripsi perjalanannya ke AS, berasal dari undangan ceramah ke Universitas Chicago, menunjukkan cintanya pada perjalanan. Penerimaannya pada filsafat dan kegemarannya pada puisi juga nyata pada awal-awal ia bersekolah di Lord Byron ialah pujaannya. van 't Hoff meninggal di Steglitz dekat Berlin pada 1 Maret 1911.

3. Rudolf Julius Emanuel Clausius
Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) adalah ahli fisika matematik Jerman, penemu Hukum Termodinamika II, penemu entropi, penemu teori elektorolisis, doktor, guru besar, dan pengarang. Ia lahir di Koslin, Prusia, sekarang di Koszalin, Polandia, pada tanggal 2 Januari 1922 dan meninggal di Bonn tanggal 24 Agustus 1888, sekarang di Jerman pada umur 66 tahun. Ia kuliah di Unervisitas Berlin dan mendapat doktor dari Halle pada tahun 1848 ketika berumur 26 tahun. Dua tahun kemudian (1850) ia diangkat menjadi guru besar fisika di sekolah mesin dan artileri di Berlin, pada tahun 1867 ia jadi guru bedar fisika di Unirvesitas Wurzburg sampai tahun 1869. Kemudian ia mengajar di Universitas Bonn.
Clausius adalah ahli fisika teori atau fisika murni. Ia tidak mengadakan experimen. Ia menerapkan matematika untuk membuat teori yang dapat menjelaskan. Hasil pengamatan dan exprimen orang lain. Pada tahun 1850 ia membuat karya tulis yang mengungkapkan penemuannya, ialah hukum termodinamika II dan entropi termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari energi dan semua bentuk perubahanya terutama menganai hubungan panas dan kerja. Hukum termodinamika II berbunyi “Panas tidak dapat dengan sendirinya berpindah dari badan yang lebih dingin ke badan yang lebih panas”. Di alam semesta terjadi decara terus – menerus perpindahan panas atau energi dari badan angkasa yang panas ke badan angkasa yang dingin. Maka berabad-abad kemudian semua panas atau energi akan terbagi merata keseluruh bagian alam semesta. Keadaan seimbang ini disebut entropi. Ini berati dunia kiamat, karena semua gerak dan kehidupan berhenti.
Clasius juga mengemukakan teori elektrolisis atau elektrolisa, ialah penguraian zat cair denga aliran listrik searah. Para ilmuan sebelumnya berpendapat bahwa dalam entrolisis, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen karena gaya listrik. Tapi Clasius berpendapat bahwa atom-atom molekul selalu bertukar. Gaya listrik hanya megarahkan pertukaran itu.

Sejarah Perkembangan Termodinamika

Peristiwa-Peristiwa Penting Termodinamika
Pada dasarnya, termodinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang panas sebagai energi yang mengalir. Oleh karena itu, sejarah berkembangnya ilmu termodinamika berawal sejak manusia mulai “memikirkan” tentang panas. Orang yang pertama kali melakukannya adalah Aristoteles (350 SM). Dia mengatakan bahwa panas adalah bagian dari materi atau materi tersusun dari panas.
Penalaran yang dilakukan oleh Aristoteles diteruskan oleh Galileo Galilei (1593) yang menganggap bahwa panas adalah sesuatu yang dapat diukur dengan penemuannya berupa termometer air. Beberapa abad setelahnya Sir Humphrey Davy dan Count Rumford (1799) menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir. Kesimpulan ini mendukung prinsip kerja termometer, tapi membantah pernyataan Aristoteles. Seharusnya hukum ke-nol termodinamika dirumuskan saat itu, tapi karena termodinamika belum berkembang sebagai ilmu, maka belum terpikirkan oleh para ilmuwan. “dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”.
Pada tahun 1778, Thomas Alfa Edison memperkenalkan mesin uap pertama yang mengkonvesi panas menjadi kerja mekanik. Mesin tersebut disempurnakan oleh Sardi Carnot (1824). Saat itu, dia berupaya menemukan hubungan antara panas yang digunakan dan kerja mekanik yang dihasilkan. Hasil pemikirannya merupakan titik awal perkembangan ilmu termodinamika klasik dan beliau dianggap sebagai Bapak Termodinamika.
Pada tahun 1845, James P. Joule menyimpulkan bahwa panas dan kerja adalah dua bentuk energi yang satu sama lain dapat dikonversi. Kesimpulan ini didukung pula oleh Rudolf Clausius, Lord Kelvin (William Thomson), Helmhozt, dan Robert Mayer. Selanjutnya, para ilmuwan ini merumuskan hukum pertama termodinamika (1850). Setahun sebelumnya, Lord Kelvin telah memperkenalkan istilah termodinamika melalui makalahnya: An Account of Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat. Buku pertama tentang termodinamika ditulis oleh William Rankine pada tahun 1859.
“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”
∆U = Q + W
Setelah mempelajari mesin Carnot, Lord Kelvin, Planck, dan menyimpulkan bahwa pada suatu mesin siklik tidak mungkin kalor yang diterima mesin diubah semuanya menjadi kerja, selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. Hal ini karena adalah sifat sistem yang selalu menuju ketidakteraturan, entropi (S) meningkat. Saat itu hukum kedua termodinamika diperkenalkan (1860). Menurut Clausius, besarnya perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem, ketika sistem tersebut mendapat tambahan kalor (Q) pada temperatur tetap dinyatakan melalui pernyataan di bawah :
“total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”
Selama tahun 1873-1976, fisikawan matematika Amerika Josiah Willard Gibbs menerbitkan tiga makalah, salah satunya adalah On the Equilibrium of Heterogeneous Substances. Makalah tersebut menunjukkan bahwa proses termodinamika dapat dijelaskan secara matematis, dengan mempelajari energi, entropi, volume, temperatur dan tekanan sistem, sedemikian rupa untuk menentukan apakah suatu proses akan terjadi secara spontan. Pada awal abad ke-20, ahli kimia seperti Gilbert N. Lewis, Merle Randall, dan EA Guggenheim mulai menerapkan metode matematis Gibbs tersebut untuk analisis proses kimia yang disebut termodinamika kimia.
Pada tahun 1885, Boltzman menyatakan bahwa energi dalam dan entropi merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Pernyataan ini mengawali berkembangnya termodinamika statistik, yaitu pendekatan mikroskopis tentang sifat termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel yang menyusunnya. Dasar-dasar termodinamika statistik ditetapkan oleh fisikawan seperti James Clerk Maxwell, W. Nernst, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius dan J. Willard Gibbs .Willard Gibbs. Pada tahun 1906 Giauque dan W. Nernst merumuskan hukum ketiga termodinamika.
“pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”
Pada tahun 1911, Einstein menyatakan bahwa massa merupakan perwujudan dari energi (E=mc2). Hal ini kemudian dibenarkan oleh ilmuwan mekanika kuantum (1900-1940) bahwa radiasi sebagai bentuk energi bisa bersifat sebagai partikel. Pernyataan ini seakan-akan membenarkan penalaran Aristoteles sebelumnya bahwa materi = energi.
Pada tahun 1950, para ilmuwan, seperti Carl Anderson menemukan adanya partikel antimateri yang bisa memusnahkan materi.