BRILLOUIN

TEORI BRILLOUIN

Teori mengenai sistem paramagnetik berikutnya adalah teori Brillouin (baca Briluan). Brillouin dengan menggunakan teori kuantum dan fisika statistik memperoleh persamaan keadaan sistem paramagnetik sebagai berikut.

Sistem Dielektrik

Sistem atau zat dielektrik secara keseluruhan mempunyai besaran-besaran polarisasi P, medan listrik luar dengan kuat medan listrik Є, dan temperatur T. Sistem atau zat dielektrik dapat digambarkan sebagai berikut.

Zat dielektrik, jika tidak dikenai medan listrik luar, maka atom atau molekulnya memiliki pusat muatan positif yaitu inti atom yang berimpit dengan pusat muatan negatifnya, yaitu elektron (perhatikan gambar.a). Jika zat dielektrik dikenai atau dimasukkan ke dalam medan listrik luar dengan kuat medan listrik Є, maka zat dielektrik akan terkena induksi (imbas) medan listrik. Karena terkena medan listrik luar, maka pusat muatan positif inti dan elektron atom tidak lagi berimpit, melainkan agak bergeser (tergeser), sehingga atom atau molekul menyerupai dipole listrik yang kecil sekali (perhatikan gambar b).

Ini berarti atom-atom zat dielektrik diarahkan oleh medan listrik luar. Peristiwa terarahnya atom-atom zat dielektrik ini dikenal sebagai peristiwa polarisasi.

Dengan peristiwa polarisasi, atom-atom zat dielektrik menjadi dipole listrik. Oleh karena itu, ada dua besaran zat dielektrik, yaitu: polarisasi (P) dan kaut medan listrik luar (Є) yang saling mempengaruhi; sehingga disebut sebagai variabel keadaan atau koordinat sistem dielektrik.

Bagaimana kalau temperatur zat dielektrik dinaikkan ? Jika temperatur zat dielektrik dinaikkan, maka getaran atom atau molekul zat dielektrik semakin hebat; sehingga arah positif dan negatifnya atom yang netral semakin acak. Karena semakin acak, maka kenaikan temperatur pada hakikatnya menentang terorientasinya muatan atom-atom zat dielektrik

Dengan ini jelas bahwa temperatur juga mempengaruhi polarisasi, sehingga temperatur juga merupakan variabel keadaan atau koordinat sistem dielektrik.

Bagaimana polarisasi P zat dielektrik, jika zat dielektrik dimasukkan dalam medan listrik luar dengan kuat medan listrik Є, dan temperatur T zat dielektrik dinaikkan ? Menurut hasil eksperimen, salah satu hubungan antara polarisasi P, kuat medan listrik Є, dan temperatur T ditunjukkan oleh persamaan berikut.

Dengan a dan b sebagai tetapan yang harganya ditentukan dengan eksperimen

Sistem Dawai Teregang

Semua bahan berubah bentuk karena pengaruh gaya. Ada bahan yang kembali ke bentuk aslinya bila gaya yang mempengaruhi dihilangkan, bahan yang seperti ini disebut bahan yang lenting sempurna. Ada pula bahan yang tetap berubah bentuknya walaupun gaya yang mempengaruhi dihilangkan, bahan yang seperti ini disebut bahan tidak lenting sempurna. Namun tidak boleh ada gaya yang melebihi kekuatan maksimum bahan.

Jika ada gaya yang melebihi kekuatan maksimum bahan, maka bahan akan putus, patah, atau retak. Batas ini disebut sebagai batas kelentingan bahan. Sifat-sifat kelentingan bahan dijelaskan dengan dua pengertian dasar, yaitu: stres dan strain.

Gambar a melukiskan sebuah batang baja A yang ditarik oleh dua gaya yang sama, ke kanan dan kekiri, yaitu: F. Karena kuatnya gaya tarik tersebut, maka batang baja akan mengecil dan berubah bentuknya menjadi batang B. Perubahan bentuk ini tetap, walaupun kedua gaya tarik dihilangkan.

Gambar b melukiskan sebuah batang baja A yang ditekan dengan gaya yang berlawanan sebesar F. Akibatnya batang baja A membesar dan memendek serta berubah bentuknya menjadi B. Perubahan bentuk ini tetap, walaupun gaya tekan dihilangkan.

Selaput Tipis

Selaput tipis (Thin Layer) juga merupakan sistem termodinamis. Contoh konkret selaput tipis antara lain:

a. bagian atas permukaan cairan dalam kesetimbangan dengan uapnya,

b. gelembung sabun atau selaput sabun yang teregang pada suatu kerangka yang terjadi dari dua permukaan selaput sabun dengan sedikit cairannya, dan

c. lapisan minyak di atas permukaan air.

Lapisan minyak di atas air mirip dengan membran yang teregang seperti gambar berikut.

Lapisan minyak menarik garis batas antara minyak dan air ke atas dengan gaya F yang tegak lurus garis batas serta lapisan air menarik garis batas antara minyak dan air ke bawah dengan gaya F’ yang tegak lurus garis batas. Dua gaya ini sama harganya hanya berlawanan arah. Gaya yang bekerja tegak lurus garis batas per satuan panjang disebut tegangan permukaan.

Keadaan selaput tipis ini diwakili oleh tiga koordinat sistem, yaitu:

a. tegangan permukaan (γ) dengan satuan N m ^{– 1}

b. luas selaput (A) dengan satuan m², dan

c. temperatur selasput tipis (T) dengan satuan kelvin (K).

Eksperimen menunjukkan, bahwa tegangan permukaan hanya fungsi temperatur saja. Oleh sebab itu, persamaan keadaan selaput tipis antara minyak (eka lapis) dan air dapat ditulis sebagai berikut.

dengan a = tetapan, γ = tegangan permukaan air yang diselimuti minyak eka lapis, γ_w = tegangan permukaan air bersih (murni), dan T = temperatur lapisan tipis.

Perbedaan (γ – γ_w) sering disebut tekanan permukaan. Selaput tipis seperti ini dapat dimampatkan dan dapat dimuaikan; sehingga sangat menarik jika dibahas dalam termodinamika. Selaput tipis antara minyak dan air jika diendapkan akan mempunyai sifat optis yang menarik; sehingga jika dibahas dalam optika fisis sangat menarik.

Sel Terbalikkan

Sel terbalikkan Daniell terdiri atas dua elektrode (tembaga / Cu dan seng / Zn) yang masing-masing dibenamkan dalam elektrolit yang berbeda (larutan Cu SO₄ jenuh dan larutan Zn SO₄ jenuh) yang dibatasi oleh dinding berpori-pori seperti gambar  berikut :

Eksperimen menunjukkan, bahwa elektrode Cu lebih positif dibanding dengan elektrode Zn; sehingga Cu disebut kutub positif dan Zn disebut kutub negatif. Jika sel Daniell tersebut dihubungkan dengan suatu potensiometer yang beda potensialnya lebih rendah sedikit dengan gaya gerak listrik (ggl) sel, maka arus listrik (pemindahan muatan positif) akan terjadi dari Cu ke Zn. Apabila hal ini terjadi, seng melarut, seng sulfat terbentuk, tembaga diendapkan, dan tembaga sulfatnya terpakai. Perubahan ini diungkapkan dengan reaksi kimia berikut :

Jika pemindahan muatan positif dibalik, dalam arti dari Zn ke Cu, maka akan terjadi: tembaga melarut, tembaga sulfat terbentuk, seng diendapkan, dan seng sulfatnya terpakai. Perubahan ini diungkapkan dengan reaksi kimia kebalikan dari reaksi diatas. 

Eksperimen menunjukkan, bahwa reaksi berlangsung dalam arah sebaliknya; sehingga sel Daniell disebut sel terbalikkan. Jika sel terbalikkan tidak menghasilkan gas dan bekerja pada tekanan udara luar yang tetap, maka variabel keadaan sistemnya hanya tiga, yaitu:

1. gaya gerak listriknya (ε) dengan satuan volt (V)

2. muatannya (Z) dengan satuan coulomb ( C), dan

3. temperaturnya (T) dengan satuan kelvin (K).

Sifat penting sel terbalikkan ialah perubahan kimia yang menyertai pemindahan muatan listrik dalam satu arah terjadi dengan harga yang sama dalam arah sebaliknya ketika jumlah muatan listrik yang sama dipindahkan dalam arah sebaliknya. Jadi, jika Δn mol seng lenyap dan Δn mol tembaga diendapkan, muatan sel berubah dari Z_i ke Z_f, dengan 

 Perlu diketahui, bahwa Z_i = muatan awal sel, Z_f = muatan akhir sel, j = valensi seng atau tembaga (dalam hal ini valensi seng = valensi tembaga = 2), dan N_F = tetapan Faraday = 96 500 C.

Namun eksperimen juga menunjukkan, bahwa ggl sel terbalikkan hanya fungsi temperatur saja. Dengan demikian, persamaan keadaan sistem sel terbalikkan adalah: 

dengan ε = ggl sembarang temperatur, ε₂₀ = ggl pada temperatur 20⁰C, t = temperatur dalam celcius, serta α, β, dan γ adalah tetapan yang bergantung pada bahan.

KOORDINAT INTENSIF DAN EKSTENSIF

Variabel keadaan sistem atau koordinat sistem ada dua macam, yaitu: koordinat intensif dan koordinat ekstensif. Koordinat intensif merupakan besaran yang nilainya (harganya) tidak bergantung pada ukuran sistem. Sedangkan kordinat ekstensif merupakan besaran yang nilainya ditentukan oleh ukuran sistem. Koordinat intensif dan ekstensif dijelaskan seperti tabel berikut :

sumber : HAMID, AHMAD ABU. 2007. DIKTAT PERKULIAHAN TERMODINAMIKA : KALOR DAN TERMODINAMIKA. YOGYAKARTA : FMIPA UNY.