Kalor Dan Termodinamika : Classical Thermodynamics And Statistical Thermodynamics
Oleh : Nicky Adam (@V03-Nicky)
Classical Thermodynamics
Termodinamika klasik adalah deskripsi kondisi tata cara termodinamika pada kesetimbangan dekat, yang memakai sifat makroskopik dan terukur. Ini digunakan untuk memodelkan pertukaran energi, kerja, dan panas berdasarkan aturan termodinamika.
Temperature and the Zeroth Law
• Suatu sistem yang sepenuhnya terisolasi dari semua imbas luar dibilang terkurung dalam dinding adiabatik. Kami juga akan mengacu pada metode mirip terisolasi.
• Dinding yang tidak adiabatik dikatakan diatermal dan dua tata cara yang dipisahkan oleh dinding diatermal dikatakan dalam kontak termal. Dinding diatermal masih merupakan dinding yang bermakna tidak bergerak atau memungkinkan partikel berpindah dari satu metode ke tata cara yang lain. Namun, itu tidak dengan cara lain khusus dan akan memungkinkan panas (akan didefinisikan segera) untuk ditransmisikan antar tata cara. Jika ragu, pikirkan lembaran logam tipis.
• Sebuah sistem yang terisolasi, bila dibiarkan sendiri untuk waktu yang usang, akan rileks ke kondisi di mana tidak ada perubahan lebih lanjut yang terlihat. Keadaan ini disebut keseimbangan
Karena kita tidak menghiraukan dengan atom dan kondisi mikro, kita harus memakai variabel makroskopik untuk menggambarkan tata cara apa pun. Untuk gas, hanya dua variabel yang perlu kita tentukan yakni tekanan p dan volume V: jika Anda mengetahui tekanan dan volume, maka semua besaran lainnya warna, anyir, viskositas, konduktivitas termal tetap. Untuk tata cara lain,(atau berlainan) variabel mungkin diperlukan untuk menggambarkan keadaan makro mereka. Contoh biasa ialah tegangan permukaan dan luas untuk film; medan magnet dan magnetisasi untuk magnet; medan listrik dan polarisasi untuk dielektrik. Berikut ini kita akan berasumsi bahwa kita berurusan dengan gas dan memakai p dan V untuk memilih keadaan. Segala sesuatu yang kami katakan dapat dengan gampang diperluas ke pengaturan yang lebih biasa . Sejauh ini, kami tidak mempunyai definisi suhu. Ini ditawarkan oleh hukum termodinamika ke-nol yang menyatakan bahwa kesetimbangan ialah sifat transitif,
Zeroth Law: If two systems, A and B, are each in equilibrium with a third body
C, maka mereka juga dalam kesetimbangan satu sama lain Mari kita lihat mengapa ini memungkinkan kita untuk mendefinisikan rancangan suhu. Misalkan metode A dalam kondisi (p1, V1) dan C dalam kondisi (p3, V3). Untuk menguji apakah kedua metode berada dalam kesetimbangan, kita cuma perlu menempatkannya dalam kontak termal dan menyaksikan apakah keadaannya berubah. Untuk nilai umum tekanan dan volume, kita akan menemukan bahwa sistem tidak dalam kesetimbangan. Keseimbangan memerlukan beberapa korelasi antara (p1, V1) dan (p3, V3). Sebagai acuan, misalkan kita memilih p1, V1, dan p3, maka akan ada nilai khusus V3 yang tidak terjadi apa-apa ketika kedua tata cara disatukan.
Hukum Pertama
Hukum pertama hanyalah pernyataan kekekalan energi, bareng dengan pengukuhan diam-membisu bahwa ada lebih dari satu cara untuk mengubah energi tata cara. Hal ini umumnya dinyatakan sebagai sesuatu di sepanjang baris
Hukum Pertama: Jumlah pekerjaan yang diharapkan untuk mengganti sistem terisolasi dari kondisi 1 ke kondisi 2 tidak tergantun
g pada bagaimana pekerjaan dilakukan. Kalimat yang agak rumit ini cuma memberitahu kita bahwa ada fungsi lain dari kondisi sistem, E (P, V ). Ini yaitu energi. Kita mampu melaksanakan sejumlah pekerjaan W pada tata cara yang terisolasi dengan cara imajinatif apa pun yang kita pilih: memerasnya, mengaduknya, menempatkan kawat dan resistor di dalamnya dengan arus yang melewatinya. Metode yang kita pilih tidak persoalan: dalam semua kasus, pergantian energi ialah AE = W. Namun, untuk sistem yang tidak terisolasi, pergantian energi tidak sama dengan jumlah pekerjaan yang dilakukan. Misalnya, kita dapat mengambil dua sistem pada suhu yang berbeda dan menempatkannya dalam kontak termal. Kita tidak perlu melakukan pekerjaan apa pun, namun energi setiap sistem akan berubah. Kami terpaksa menerima bahwa ada cara untuk mengubah energi sistem selain dengan melaksanakan pekerjaan.
Hukum Kedua
“Sekali atau dua kali saya diprovokasi dan bertanya terhadap perusahaan berapa banyak dari mereka yang dapat menerangkan Hukum Kedua Termodinamika, aturan entropi. Tanggapannya acuh taacuh: juga negatif. Namun saya menanyakan sesuatu yang kira-kira setara dengan ilmiah: ‘Sudahkah Anda membaca karya Shakespeare?’”
C.P. Snow, tidak disangsikan lagi, mempertimbangkan pernyataan bahwa entropi meningkat. Namun ini ialah konsekuensi dari aturan kedua; itu bukan aksioma itu sendiri. Memang, kami bahkan belum mempunyai definisi termodinamika entropi.
Inti dari aturan kedua adalah bahwa ada arah waktu yang lebih diminati. Ada banyak proses makroskopik di Alam yang tidak mampu dibalik. Hal-hal berantakan. Garis-garis di muka Anda semakin dalam. Kata-kata tidak bisa terucap. Hukum kedua merangkum semua pengamatan tersebut dalam satu pernyataan tentang gerakan panas.
Reversible Processes
Sebelum kita menyatakan aturan kedua, akan berguna untuk terlebih dulu fokus pada proses yang dapat bekerja dengan bahagia hati di kedua arah waktu. Ini ialah kelas khusus dari proses kuasi-statis yang dapat dilaksanakan mundur. Mereka disebut reversibel
Sebuah proses reversibel mesti berada dalam kesetimbangan di setiap titik di sepanjang jalan. Ini yaitu keadaan kuasi-statis. Tapi kini ada standar lebih lanjut bahwa tidak ada ukiran yang terlibat.
Statistical Thermodynamics
Termodinamika fenomenologis menggambarkan hubungan antara besaran-besaran yang dapat diamati yang mencirikan objek material makroskopik. Kita tahu bahwa benda-benda ini berisikan sejumlah besar partikel kecil, molekul, atau atom, dan, untuk semua yang kita ketahui, partikel kecil ini mematuhi hukum mekanika kuantum dan acap kali mendekati hukum mekanika Newton. Mekanika statistik yakni teori yang menjelaskan sifat makroskopik, tidak cuma fungsi kondisi termodinamika, dengan menerapkan teori probabilitas pada persamaan gerak mekanik untuk kumpulan besar sistem partikel kita akan mempelajari bab mekanika statistik yang berafiliasi dengan termodinamika fenomenologis. Terlepas dari namanya, termodinamika fenomenologis (keseimbangan) pada dasarnya adalah teori statis yang menawarkan deskripsi materi yang bersifat observasional dan makroskopik. Deskripsi mekanis yang mendasarinya bersifat dinamis dan mikroskopis, namun hanya bersifat observasional untuk sistem yang terdiri dari sejumlah kecil partikel. Untuk melihat ini, kami memikirkan tata cara N partikel titik klasik identik yang mematuhi persamaan gerak Newton.
The Markovian Postulate
Ada banyak sekali cara untuk mendefinisikan dan menafsirkan probabilitas. Untuk diskusi absurd dan derivasi matematis, definisi yang paling cocok ialah salah satu probabilitas fisik atau frequentist. Percobaan T yang cocok dengan definisi ini secara statistik teratur, ialah limitnya ada dan sama untuk semua deret tak hingga dari percobaan yang serupa. Jika probabilitas fisis diasumsikan sebagai sifat stabil dari sistem yang diteliti, maka mampu diukur dengan beberapa kesalahan eksperimental. Kesalahan eksperimental ini mempunyai dua donasi: (i) kesalahan faktual pengukuran besaran A dan (ii) penyimpangan frekuensi eksperimental observasi A dari batas yang diputuskan dalam Persamaan. Kontribusi (ii) Muncul dari jumlah percobaan percobaan N tidak terhingga. Kita membutuhkan beberapa tolok ukur yang memberitahu kita apakah T terencana secara statistik. Periode evolusi adalah waktu tunggu di mana tata cara berada dalam keadaan terkendali. Bersamaan dengan kala antisipasi, perlu menyanggupi postulat Markovian. Perhatikan bahwa sistem dapat berada dalam keadaan pengamatan yang berbeda pada ketika pengamatan; jikalau tidak, postulat akan sesuai dengan eksperimen sepele. Postulat Markovian terkait dengan desain rantai peristiwa Markovian. Dalam rantai mirip itu, hasil dari peristiwa selanjutnya hanya bergantung pada status metode saat
ini, tetapi tidak pada status yang ditemukan sebelumnya dalam rantai. Proses yang mengarah ke rantai peristiwa Markovian dengan demikian dapat dianggap tanpa memori.
Hamiltonian Equations of Motion
Persamaan gerak Newton sangat sesuai untuk perkiraan dinamika molekul atom (MD). Analisis statistik lintasan yang dijumpai selama simulasi MD tersebut dapat dianalisis dalam hal besaran termodinamika, seperti energi bebas. Namun, untuk menganalisis evolusi tata cara dalam hal sifat spektroskopi, deskripsi Newton sungguh merepotkan. Karena pengukuran spektroskopi dapat menunjukkan pengujian teori yang paling ketat, kita akan menggunakan formulasi mekanika Hamilton sebagai berikut. Formulasi ini sangat sesuai untuk molekul yang juga mempunyai derajat keleluasaan rotasi. Untuk itu, kita ganti koordinat kecepatan dengan koordinat momentum PJ = mjq˙j di mana indeks j berjalan di atas semua atom dan untuk setiap atom di atas tiga koordinat Cartesian. Selanjutnya, kita asumsikan M molekul identik, dengan masing-masing mempunyai f derajat kebebasan, sehingga jumlah derajat kebebasan yakni F = FM. Seperti metode dapat diterangkan dengan persamaan diferensial 2F
The Liouville Equation
Pengamatan kami tidak memungkinkan kami untuk memilih lintasan ruang fase, yaitu lintasan kondisi mikro untuk metode tunggal. Sebagai gantinya, kami menimbang-nimbang ansambel tata cara identik yang seluruhnya mewakili kondisi makro O yang serupa (pengamatan), namun mungkin dalam kondisi mikro yang berlawanan. Pada waktu tertentu kita mampu mengkarakterisasi ansambel seperti itu dengan kepadatan probabilitas (p, q, t) dalam ruang fase, di mana p dan q masing-masing ialah vektor dari semua saat-saat dan koordinat spasial dalam metode. Kami kepincut pada persamaan gerak untuk kerapatan probabilitas ρ ini, yang tepat dengan pengetahuan penuh yang kami miliki ihwal tata cara. Persamaan ini dapat diturunkan dari representasi integral dan persamaan gerak Hamilton.
Daftar pustaka
Accessed 14 March 2022.
Accessed 14 March 2022.
Accessed 14 March 2022.
http://scienze-como.uninsubria.it/mella/chimfissbac/thermodynamics.pdf
Accessed 14 March 2022.
https://theory.physics.manchester.ac.uk/ xian/thermal/chap1.pdf
Accessed 14 March 2022.