Assalamu Alaikum
Warahmatullahi Wabarakatuh
Selamat datang di website mafiaisrul.blogspot.com kali ini kita akan membahas sedikit tentang Sistem Makroskopik
dan Sistem Mikroskopik. Nah berikut penjelasan singkatnya…
SISTEM MAKROSKOPIK DAN SISTEM MIKROSKOPIK
A. Latar Belakang
Pada
umumnya terdapat dua pandangan yang bisa diambil untuk menyelidiki
karakteristik sistem dan interaksinya dengan lingkungan, yaitu pandangan
makroskopik dan pandangan mikroskopik.
Misalnya
kita mempunyai silinder mesin mobil yang diisi campuran hidrokarbon dan udara.
Setelah campuran tersebut dibakar menghasilkan gas-gas yang diperikan dengan
senyawa kimia tertentu. Pernyataan mengenai jumlah zat ini merupakan pemerian
komposisi sistem itu. Setiap saat sistem yang diperikan dengan komposisi
tersebut akan menempati volume yang ditentukan oleh kedudukan piston. Kuantitas
lain yang dapat digunakan untuk memerikan sistem tersebut adalah tekanan dan
temperatur. Jadi dengan demikian untuk memerikan sistem campuran hidrokarbon
dalam silinder piston dengan empat kuantitas: komposisi, volume, tekanan dan
temperatur. Kuantitas ini diacu sebagai ciri umum dari sistem dan merupakan
pemerian makroskopik.
Sistem di
atas dapat pula diperikan berdasarkan pandangan mikroskopik. Menurut mekanika
statistik, sistem diandaikan terdiri atas sejumlah besar N molekul,
masing-masing dapat ada dalam keadaan yang energinya E. Molekul ini dianggap
saling berinteraksi melalui tumbukan atau melalui gaya yang ditimbulkan oleh
medan. Konsep peluang diterapkan, dan keadaan setimbang sistem dianggap sebagai
keadaan dengan peluang terbesar. Lebih lanjut bagaimana pemerian secara
mikroskopik sistem tersebut akan dipelajari dalam mekanika statistik.
B. Keadaan Makro dan Mikro
Keadaan
termodinamika digambarkan sebagai titik dalam ruang keadaan. Setiap titik dalam
diagram fase sistem PVT bersesuaian dengan sebuah keadaan, yaitu keadaan
termodinamik. Keadaan termodinamik adalah keadaan makro (macrostate). Setiap
keadaan makro bersesuaian dengan banyak sekali keadaan mikro, bahkan tak-hingga
untuk sistem kontinu. Keadaan mikro adalah konfigurasi sesaat dari semua elemen
mikroskopik. Keadaan-keadaan mikroskopik suatu sistem dapat dinyatakan dalam
ruang fase. Ruang fase dari suatu gas dalam wadah tertutup yang terdiri atas N
molekul dapat digambarkan dalam ruang fase berdimensi 6N, yaitu {x1···pz N}
C. Pandangan Mikroskopik
Pemerian
mikroskopik suatu sistem meliputi beberapa ciri khas seperti adanya pengandaian
bahwa sistem terdiri atas sejumlah molekul, dan kuantitas-kuantitas yang
diperinci tidak dapat diukur. Contoh penerapan pandangan mikroskopik untuk
cabang ilmu fisika yaitu dalam fisika statistik.. Ruang lingkup fisika statistik
meliputi dua bagian besar, yaitu teori kinetik dan mekanika statistik.
Berdasarkan pada teori peluang dan hukum mekanika, teori kinetik mampu
menggambarkan sistem dalam keadaan tak seimbang, seperti: proses efusi,
viskositas, konduktivitas termal, dan difusi. Disini, molekul suatu gas ideal
tidak dianggap bebas sempurna tetapi ada interaksi ketika bertumbukan dengan
molekul lain atau dengan dinding. Bentuk interaksi yang terbatas ini diacukan
sebagai interaksi lemah atau kuasi bebas. Ruang lingkup ini tidak membahas
partikel berantaraksi kuat
Uraian
suatu sistem yang sebagai koordinat makroskopik, dapat diambil contoh sebagai
berikut:
·
Kecepatan masing-masing partikel
·
Energi kinetik masing-masing partikel
·
Kecepatan partikel
Dalam
fisika, kinematika adalah cabang dari mekanika klasik yang membahas gerak benda
dan sistem benda tanpa mempersoalkan gaya penyebab gerakan. Kata kinematika
dicetuskan oleh fisikawan Perancis A.M. Ampère.
Kinematika partikel adalah studi yang mempelajari karakteristik gerak suatu
partikel. Kecepatan sebuah partikel adalah vektor yang menunjukkan arah dan
besar dari perubahan posisi vektor, bagaimana posisi sebuah benda berpindah
tiap waktu. Anggap rasio perbedaan 2 posisi partikel dibagi dalam interval
waktu sama,
Ciri Khas Koordinat Mikroskopik
1.
Terdapat pengandaian secara struktur materi, yaitu molekul dianggap ada.
2.
Banyak kuantitas yang harus diperinci
3.
Kuantitas yang diperinci tidak berdasarkan penerimaan indera kita
4.
Kuantitas ini tidak bisa diukur
Kedua
pandangan di atas terdapat hubungan, walaupun sepintas kelihatan sangat
berbeda.
Contoh :
Kuantitas mikroskopik
tekanan adalah perubahan momentum rata-rata yang ditimbulkan oleh tumbukan
molekular pada bidang yang luasnya satu satuan. Tekanan dirasakan oleh indera
kita, dialami, diukur, dan dipakai lama sebelum fisikawan mempunyai alasan
untuk percaya adanya dampak molekular. Jika teori molekular diubah konsep
tekanan tetap bertahan dan akan tetap berarti sama untuk setiap orang yang
normal (teori).
D. Pandangan Makroskopik
Dalam
termodinamika sistem akan dideskripsikan dengan sejumlah besaran fisis yang
menggambarkan keadaan sistem (disebut sebagai besaran keadaan). Keadaan sistem
yang ditinjau dalam termodinamika adalah keadaan makroskopik yang dapat berupa
keadaan rerata dari partikel-partikel dalam sistem atau berupa keadaan
kesuluruhan (total) partikel-partikel dalam sistem. Contoh keadaan makroskopik
tersebut adalah :
·
Tekanan P
·
Temperatur T
·
Volume V
·
Energi dalam U
Tekanan P
Tekanan
merupakan salah satu property yang terpenting dalam thermodinamika, dan
didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida (cair atau gas) pada satu satuan
unit luas area. Istilah tekanan pada benda padat disebut tegangan (stress).
Satuan tekanan adalah Pa (Pascal), yang didefinisikan sebagai, 1 Pa = 1 N/m2
Karena satuan Pascal terlalu kecil, maka dalam analisis thermodinamika
seringdigunakan
satua kilopascal (1 kPa = 103 Pa), atau megapascal (1 MPa = 106 Pa). Satuan
tekanan yang cukup dikenal adalah satuan bar (barometric), atau atm (standard
atmosphere), sebagai berikut.
1 bar = 105 Pa = 0,1 Mpa =
100kPa
1 atm = 101. 325 Pa =
101,325 kPa = 1, 01325 bar
Pengukuran
tekanan dengan menggunakan referensi tekanan nol absolut disebut tekanan
absolut (ata), sedang tekanan manometer (ato) adalah tekanan relatif terhadap
tekanan atmosfir. Tekanan vakum adalah tekanan dibawah 1 atm, yaitu perbedaan
antara tekanan atmosfir dengan tekanan absolut.
Alat
pengukur tekanan diatas atmosfir adalah manometer, alat pengukur tekanan vakum
disebut manometer vakum, sedang alat pengukur tekanan atmosfir disebut
barometer. Terdapat banyak jenis metode pengukuran tekanan seperti pipa U,
manometer pegas, atau transduser elektronik
Temperatur T
Ukuran
temperatur berfungsi untuk mengindikasikan adanya energi panas pada suatu benda
padat, cair, atau gas. Metodenya biasanya menggunakan perubahan salah satu
property suatu material karena panas, seperti pemuaian, dan sifat listrik.
Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada benda
yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas ke alat
ukur sampai terjadi keadaan seimbang. Dengan demikian temperatur yang
terterapada alat ukur adalah sama dengan temperatur pada benda yang diukur
temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Thermodinamika Zeroth
(Zeroth Law of Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam keadaan seimbang
thermal dengan benda ketiga maka dua benda tersebut juga dalam keadaan seimbang
thermal walaupuntidak saling bersentuhan.
Dalam
sistem SI satuan temperatur adalah Kelvin (K) tanpa derajad. Skala dari ukuran
temperatur dalam derajad Celcius adalah sama dengan skala ukuran Kelvin, tetapi
titik nol oC sama dengan 273,15 K. Titik nol oC adalah kondisi es mencair pada
keadaan standard atmosfir, sedang kondisi 0 K adalah kondisi nol mutlak dimana
semua gerakan yang menghasilkan energi pada semua materi berhenti. Dalam
analisis thermodinamika, apabila yang dimaksudkan adalah ukuran temperatur maka
yang digunakan adalah ukuran dalam K, sedang apabila analisis berhubungan
dengan perbedaan temperatur maka baik ukuran oC maupun K dapat digunakan.
Volume V
volume dari
sebuah sistem termodinamika adalah suatu parameter ekstensif untuk menjelaskan
keadaan termodinamika. Volume spesifik, adalah properti intensif, adalah volume
per satuan massa. Volume merupakan fungsi keadaan dan interdependen dengan
properti termodinamika lainnya seperti tekanan dan suhu. Contohnya, volume
berhubungan tekanan dan suhu gas ideal melalui hukum gas ideal. Volume fisik
dari sebuah sistem dapat sama atau berbeda dari volume kontrol yang digunakan
untuk menganalisis sistem.
Energi Dalam U
Energi
dalam (E) adalah total energi kinetik dan energi potensial yang ada di dalam
sistem. Namun karena besar energi kinetik dan energi potensial pada sebuah
sistem tidak dapat diukur, maka besar energi dalam sebuah sistem juga tidak
dapat ditentukan, yang dapat ditentukan adalah besar perubahan energi dalam
suatu sistem. Perubahan energi dalam dapat diketahui dengan mengukur kalor (q)
dan kerja (w), yang akan timbul bila suatu sistem bereaksi. Oleh karena itu,
perubahan energi dalam dirumuskan dengan persamaan E = q + w.
Jika sistem
menyerap kalor, maka q bernilai positif. Jika sistem mengeluarkan kalor, maka q
bernilai negatif. Jika sistem melakukan kerja, maka w pada rumus tersebut
bernilai positif. Jika sistem dikenai kerja oleh lingungan, maka w bernilai
negatif.Jadi bila suatu sistem menyerap kalor dari lingkungan sebesar 10 kJ,
dan sistem tersebut juga melakukan kerja sebesar 6 kJ, maka perubahan energi
dalam-nya akan sebesar 16 kJ.
Besaran-besaran
makroskopik tadi dikelompokkan menjadi dua jenis, yang sebanding dengan jumlah
partikel dan yang tidak bergantung pada jumlah partikel. Besaran yang sebanding
dengan jumlah partikel disebut sebagai besaran ekstensif, misalnya jumlah
partikel, volume, energi dalam, dan entropi S. Sedangkan besaran yang tidak
bergantung pada jumlah partikel disebut sebagai besaran intensif, misalnya
tekanan, temperatur, panas jenis c, kerapatan ρ dan potensial kimia µ.
Ciri Khas Koordinat
Makroskopik
1. Koordinat ini tidak
menyangkut pengandaian khusus mengenai struktur materi.
2. Jumlah koordinatnya
sedikit
3. Koordinat ini
dipilih melalui daya terima indera kita scara langsung.
4. Pada umumnya
koordinat ini dapat diukur secara langsung
E. Fluktuasi Kesetimbangan
Proses
kesetimbangan sangat penting dalam pengukuran, karena pengukuran suatu variabel
dilakukan ketika sistem berada dalam kesetimbangan. Bayangkan ketika anda
mengukur berat benda dengan menggunakan neraca Ohauss, kapan pengukuran
dilakukan? Yang anda lakukan adalah melihat jarum penunjuk berada pada posisi
setimbang dengan kedudukan yang telah ditentukan. Ketika anda mengukur harga
arus maka hal yang anda lakukan adalah melihat posisi jarum petunjuk pada angka
yang tertera, setelah kira-kira jarum jam pada posisi yang seimbang dengan
angka yang tertera pada amperemeter maka anda dapat melakukan pengukuran harga
arus.
Dari kedua
contoh di atas maka keadaan setimbang merupakan keadaan yang sangat penting
pada proses pengukuran. Dalam fisika statistik untuk menyatakan keadaan
setimbang dinyatakan dengan peluang maksimal, pernyataan peluang maksimal dapat
dinyatakan oleh berbagai cara, diantaranya:
Jumlah keadaan yang terbesar
dari semua jumlah keadaan yang ada (Pmax).
Jumlah keadaan yang
diizinkan (Wmax).
Jumlah keadaan makro yang
memiliki jumlah keadaan mikro terbesar (Wmax). Ketiganya memiliki arti yang
sama, namun digunakan pada kondisi yang berbeda. Sebagai contoh, keadaan
setimbang adalah keadaan yang memiliki peluang terbesar dari semua jumlah
keadaan yang ada.
Contoh:
Dua buah partikel identik
berada dalam sistem yang terisolasi (sistem I). Sistem I ini terdiri dari dua
sistem (sistem A dan A’) yang dibatasi oleh dinding, dimana memungkinkan
perpindahan partikel antar kedua sistem tersebut. Cara kita untuk meramalkan
kesetimbangan adalah meramalkan jumlah keadaan yang dapat terjadi. Dari keadaan
yang ditunjukkan pada Gb.2.1, maka kita dapat menyatakan bahwa kesetimbangan
terjadi ketika masing-masing sistem diisi oleh sebuah partikel, dimana memiliki
peluang terbesar (P(2) = P(3) = ½), mengingat dalam hal ini kedua partikel
dianggap sama. Biasanya ketika kita melalukan pengukuran, yang kita lakukan
adalah membandingkan dengan standar, maka dalam hal ini hanya ada dua sistem,
yaitu sistem yang akan kita ukur dengan sistem yang sudah memiliki standar.
F. Sistem Makroskopik dan Sistem Mikroskopik
Fisika
statistik berangkat dari pengamatan sebuah sistem mikroskopik, yakni sistem
yang sangat kecil (ukurannya sangat kecil + ukuran Angstrom, tidak dapat diukur
secara langsung) sebagai contoh sistem partikel tunggal. Penjelasan sistem
partikel tunggal ini dapat dilakukan melalui hukum-hukum mekanika klasik maupun
kuantum dan untuk jumlah yang cukup banyak dapat dibantu dengan menggunakan
numerik (komputer).
Sistem
makroskopik merupakan sistem dengan skala besar (dapat diukur), sistem ini
dilengkapi dengan variabel makroskopik yaitu variabel yang dapat diukur
(tekanan, temperatur, volume, energi, …). Fisika statistik mencoba untuk
menjembatani bagaimana keadaan mikroskopik mampu menjelaskan keadaan
makroskopik.
Sebagai
contoh, ketika kita mengamati sistem N partikel dalam keadaan wujud gas yang
suatu saat secara tiba-tiba sistem terkondensasi sehingga sistem berada dalam
keadaan fase cair. Jika kita melihat tinjauan mikroskopik, maka kita akan
melihat partikel penyusun sistem pada fase gas akan berubah menjadi partikel
penyusun sistem pada fase cair. Perubahan ini dapat diumpamakan sebagai proses
reproduksi pertumbuhan partikel penyusun sistem pada fase cair. Mampukah fisika
(mekanika, termodinamika, listrik-magnet, gelombang, …) menjelaskan keadaan
ini?. Untuk itu perlu dikembangkan konsep baru agar dapat menjelaskan keadaan
tersebut.
Sebagai
contoh, ketika kita mengamati sistem N partikel dalam keadaan wujud gas yang
suatu saat secara tiba-tiba sistem terkondensasi sehingga sistem berada dalam
keadaan fase cair. Jika kita melihat tinjauan mikroskopik, maka kita akan
melihat partikel penyusun sistem pada fase gas akan berubah menjadi partikel
penyusun sistem pada fase cair. Perubahan ini dapat diumpamakan sebagai proses
reproduksi pertumbuhan partikel penyusun sistem pada fase cair. Mampukah fisika
(mekanika, termodinamika, listrik-magnet, gelombang, …) menjelaskan keadaan
ini?. Untuk itu perlu dikembangkan konsep baru agar dapat menjelaskan keadaan
tersebut.
Fisika
statistik mencoba untuk menjelaskan keadaan tersebut, melalui penggunaaan
konsep-konsep dasar fisika (mekanika, termodinamika, listrik- magnet,
gelombang, …), perilaku sistem mikroskopik dibangun beserta syarat batas
fisisnya. Untuk melakukan estimasi makroskopik berdasarkan fluktuasi perilaku
sistem mikroskopik tersebut kita perlu menggunakan konsep-konsep probabilitas
yang bersesuaian dengan sistem yang kita bangun. Sehingga dalam perkuliahan
fisika statistik pemahaman konsep dasar fisika sangat diperlukan. Berbicara
tentang sistem makroskopik, berarti kita membicarakan tentang variabel
makroskopik yang menjadi ciri dari sistem tersebut. Variabel makroskopik
menjelaskan karakter fisis sistem yang informasinya didapat melalui hasil
pengukuran. Pengukuran terjadi ketika sistem berada dalam setimbang dan hal ini
berkaitan dengan jumlah kejadian mikro dengan peluang terbesar
Sekian
artikel hari ini semoga bermanfaat, dan mohon maaf bila terdapat kesalahan
dalam penulisan artikel kami. Jangan lupa follow and share ke teman-teman
kalian ya,,, terima kasih.
Salam
hangat
penulis
