apa itu kestimbangan termal?

Keseimbangan Termal

Dirimu pernah minum es teh-kah ? atau mungkin es sirup, es susu dkk…. biasanya kalau kita mau minum es teh dkk, kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Jika diperhatikan secara saksama, es batu perlahan-lahan mulai mencair. Pada saat es batu mencair, air panas yang ada di dalam gelas menjadi dingin. Setelah beberapa menit, campuran es batu dan teh hangat pun berubah menjadi es teh yang begitu sejuk dan mengundang selera… apalagi pas lagi gerah atau kepanasan.

Mencampur es batu dengan air panas dalam gelas hanya merupakan salah satu contoh saja. Masih banyak contoh lain yang sering kita lakukan dalam kehidupan sehari-hari. Kalau kita ingin mandi dengan air hangat, biasanya kita mencampur air mendidih dengan air yang lebih dingin. Ketika kita ingin mendinginkan benda padat, seperti besi panas, kita bisa mencelupkan besi ke dalam air. Apa yang kita lakukan ini kelihatannya sederhana dan sepele. Walaupun demikian, hal tersebut merupakan salah satu konsep yang penting dalam ilmu fisika.

Sebagaimana yang telah gurumuda jelaskan pada awal tulisan ini, jika kita ingin memperoleh air hangat, kita bisa mencampur air panas dengan air dingin. Kita bisa mengatakan air panas memiliki suhu tinggi sedangkan air dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah dicampur, perlahan-lahan air panas menjadi dingin (suhu air panas menurun), sebaliknya air dingin menjadi hangat (suhu air dingin meningkat). Beberapa saat kemudian, campuran air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat. Adanya air hangat menunjukkan bahwa suhu campuran air panas dan air dingin telah sama. Ketika campuran air panas dan air dingin mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Proses yang sama juga terjadi ketika kita memasukan es batu ke dalam gelas yang berisi teh hangat. Setelah dimasukan ke dalam gelas, es batu mulai mencair dan air teh yang pada mulanya hangat menjadi dingin. Setelah saling bersenggolan di dalam gelas, campuran es batu dan teh hangat pun berubah menjadi es teh yang sejuk dan mengundang selera. Adanya es teh menujukan bahwa suhu campuran sama. Ketika es batu dan teh hangat mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Masih banyak contoh lain. Seandainya dirimu punya koleksi kulkas di rumah, silahkan buka pintu kulkas dan masukan tanganmu ke dalam kulkas tersebut. Tanganmu akan terasa dingin… Sebaiknya tarik tanganmu dari dalam kulkas sebelum terjadi keseimbangan termal dan darah akan membeku.

Pada dasarnya, dua benda dikatakan berada dalam keseimbangan termal, jika setelah bersentuhan, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Misalnya terdapat 2 benda, sebut saja benda A dan benda B. Pada mulanya benda A memiliki suhu tinggi (benda A panas) sedangkan benda B memiliki suhu rendah (Benda B dingin). Setelah bersentuhan cukup lama, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Dalam hal ini, benda A dan benda B dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Perlu diketahui bahwa benda yang bersentuhan bisa berupa benda padat, cair atau gas. Apabila yang saling bersentuhan adalah benda padat, maka kedua benda bisa ditempelin seperti gambar di atas. Sebaliknya, jika yang saling bersentuhan adalah benda padat dan cairan, maka benda padat dicelupkan ke dalam cairan (misalnya besi yang panas dimasukkan ke dalam air). Apabila yang saling bersentuhan adalah cairan, maka kita bisa menuangkan salah satu cairan ke dalam cairan lainnya (misalnya mencampur air panas dengan air dingin).

Hukum Ke-nol Termodinamika

Sejauh ini kita baru meninjau keseimbangan termal yang dialami oleh dua benda yang bersentuhan. Untuk memahami konsep keseimbangan termal secara lebih mendalam, mari kita tinjau 3 benda (sebut saja benda A, benda B dan benda C). Benda C bisa dianggap sebagai termometer. Misalnya benda A dan benda B tidak saling bersentuhan, tetapi benda A dan benda B bersentuhan dengan benda C.

Karena bersentuhan, maka setelah beberapa saat benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Demikian juga benda B dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Btw, apakah benda A dan benda B yang tidak saling bersentuhan juga berada dalam keseimbangan termal ?

Kalau cuma main logika, kita bisa mengatakan bahwa benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal, sekalipun keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal, berarti suhu benda A = suhu benda C. Benda B dan benda C juga berada dalam keseimbangan termal (suhu benda B = suhu benda C). Karena A = C dan B = C, maka A = B. hiks2….

Berhubung ini bukan permainan logika atau tebak2an, maka perlu dibuktikan melalui percobaan. Dirimu tidak perlu repot2 membuat percobaan karena om dan tante ilmuwan yang sudah pensiun di alam baka telah melakukan percobaan. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. Dalam hal ini, suhu benda A = suhu benda B. Jadi walaupun benda A dan benda B tidak bersentuhan, tapi karena keduanya bersentuhan dengan benda C, maka benda A dan benda B juga ikut2an berada dalam keseimbangan termal. Hal ini disimpulkan dalam sebaris kalimat indah di bawah ini :

Jika dua benda berada dalam keseimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada dalam keseimbangan termal satu sama lain.

Ini adalah hukum ke-0 termodinamika. Kedengarannya agak aneh, jarang-jarang hukum dimulai dari nol. Kisahnya begini… Setelah para ilmuwan menemukan hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga, mereka baru sadar kalau hukum ini belum dinyatakan. Bagaimanapun, hukum ini merupakan dasar bagi hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga, maka para ilmuwan harus menyatakannya terlebih dahulu. Munculnya belakangan, lagian ilmuwan juga bingung mau nempelin dimana, ya lebih bagus dan lebih tepat kalau diberi julukan hukum ke-0 saja.