Browse By

Satu, Dua, Sifar, Tiga

Agak pelik urutan 1, 2, 0 dan 3 ya? Tetapi itulah yang berlaku dalam salah satu cabang fizik iaitu termodinamik (thermodynamics).

Sebelum saya mengulas panjang mengenai urutan nombor yang pelik itu, biar saya terangkan apa itu termodinamik. Okay, ia agak jelas, termodinamik = termo + dinamik. Termo membawa maksud tenaga haba atau suhu dan dinamik membawa maksud kajian terhadap daya dan tenaga serta kesannya kepada pergerakan. Lebih kurang begitulah definisi termodinamik; kajian terhadap tenaga haba serta kesannya kepada tingkahlaku dan gerakan atom/zarah/molekul yang terlibat.

Bidang termodinamik dibangunkan begitu sistematik sehinggakan tingkahlaku ini dapat diterangkan oleh hanya empat hukum yang dipangil Hukum Termodinamik (Law of Thermodynamics).

Hukum Termodinamik Sifar (Zeroth Law of Thermodynamics) – ia dipanggil sifar kerana ia merupakan hukum paling asas dalam termodinamik. “Yek eleh, kenapa tak namakannya pertama je, dan diikuti dua, tiga dan empat?”, soal anda dalam hati. Jawapannya adalah kerana ia dijumpai selepas hukum pertama dan kedua, tetapi disebabkan ia merupakan hukum paling asas, fizikawan pada waktu itu terpaksa meletakkan nombor sifar kerana tidak mahu menggangu hukum yang pertama dan kedua yang telah lama dinamakan. Hukum pertama ini  menerangkan bahawa jika jasad A berada dalam keseimbangan haba (mempunyai suhu yang sama) dengan jasad B, dan jasad B berada dalam keseimbangan dengan jasad C, maka jasad A dan C turut berada dalam keseimbangan haba dan mempunyai suhu yang sama.

Hukum Termodinamik Pertama (First Law of Thermodynamics) – ia mengatakan bahawa dalam satu sistem tertutup (isolated system), jumlah tenaga di dalamnya tidak akan berubah (juga disebut sebagai malar). Hukum ini merupakan hasil daripada Hukum Keabadian Tenaga (Law of Conservation of Energy) yang menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dihasilkan atau dihapuskan. Ini bermakna, jumlah tenaga di seluruh alam semesta kita ini adalah sama sejak Letupan Besar (Big Bang) sehinggalah Hari Kiamat nanti! Jadi apa yang berlaku setiap hari? (Spoiler: tenaga boleh ditukar bentuk).

Hukum Termodinamik Kedua (Second Law of Thermodynamics) – haba tidak boleh mengalir secara spontan dari kawasan sejuk ke kawasan yang lebih panas. Hukum ini melahirkan beberapa konsep dan unit fizikal yang lain – perbezaan suhu, tekanan dan komposisi kimia di alam semesta ini cenderung untuk menjadi sama rata. Entropi (entropy) merupakan sifat kecelaruan (disorderness) sesuatu sistem dan ia menerangkan bagaimana proses ini berlaku. Entropi juga sentiasa meningkat apabila masa meningkat, tetapi tidak pernah akan berkurang! (sama seperti haba tidak boleh mengalir dari kawasan sejuk ke panas). Hal ini menyebabkan entropi dipanggil sebagai Anak Panah Masa (Arrow of Time), dan merupakan sebuah alat untuk membezakan masa lampau dan masa hadapan!

Einstein menemukan Teori Kerelatifan (Theory of Relativity) hanya menggunakan eksperimen minda (thought experiment) dengan membayangkan satu situasi. Oleh itu, bayangkan: anda ada sebuah botol yang mempunyai kacang berwarna merah di bahagian bawah dan kacang berwarna hijau di bahagian atas, terpisah dan tidak bercampur. Anda ambil gambar botol tersebut. Andaikan anda menggoncang botol itu, sudah tentu kedua-dua warna kacang ini akan bercampur (entropi meningkat). Anda ambil gambar botol itu sekali lagi. Tidak kira bagaimana anda menggoncang botol itu sebanyak mana pun, kacang merah dan hijau tidak akan terpisah dan tersusun seperti keadaan awal tadi; melainkan anda dengan gigihnya menyusun kacang-kacang ini dengan jari (keadaan/perbuatan yang tidak spontan). Kemudian, anda tunjukkan dua gambar tadi kepada seorang rakan yang tidak melihat langsung apa yang baharu sahaja berlaku – dapatkah dia meneka gambar mana yang diambil dahulu dan gambar mana yang diambil kemudian? Sudah tentu boleh! Kacang yang tersusun pasti berlaku dahulu (masa lampau) dan kacang yang berselerak berlaku kemudian (masa hadapan). Anak Panah Masa!

Hukum Termodinamik Ketiga (Third Law of Thermodynamics) – apabila suhu menghampiri sifar mutlak (absolute zero), semua proses dan entropi sesuatu sistem mencapai nilai minimum. Fizikawan mendapati bahawa pada suhu 0 °K (kependekan kepada Kelvin) atau -273.15 °C, zarah kehilangan tenaga sepenuhnya dan tidak bergerak langsung! Kaku. Walau sehebat mana pun situasi ini, hukum fizik mengatakan ia tidak mungkin berlaku! Ergo, suhu sifar mutlak tidak mungkin dicapai!

Natijahnya, begitulah bagaimana fizikawan mengira, 1, 2, 0, 3! (taklah, tipu je).