Teori Kinetik Gas: Kekuatan dan Kelemahannya

Teori kinetik gas berkaitan secara historis maupun konseptual dengan teori mekanika statistik dan termodinamika. Ini mengapa kita menemukan bahasan teori kinetik gas dalam buku paket SMA di dekat pembahasan mengenai termodinamika. Teori kinetik gas berperan penting dalam membentuk fisika modern dan relevan dengan filsafat sains dalam banyak hal.

Teori Kinetik Gas dalam Perspektif Sejarah

Pendahulu teori kinetik gas adalah teori statis gas yang diberikan oleh Newton untuk menjelaskan hukum Boyle. Teori kinetik gas pertama diajukan oleh Daniel Bernoulli tahun 1738 namun masih belum kuat. Tahun 1820 John Herapath dan JJ Waterston tahun 1845 mengajukan teori kinetik gas namun masih tetap diabaikan.

Tahun 1850, Joule mengajukan hukum kekekalan energi yang mendukung teori kinetik. Perkembangan lebih lanjut diberikan oleh James Clerk Maxwell yang menjelaskan banyak sifat gas. Salah satu kekuatan dari Maxwell adalah kemampuan teorinya untuk memprediksi fenomena transport seperti konduksi, difusi, dan viskositas panas. Usaha Maxwell kemudian diperluas oleh Boltzmann.

Pada awalnya molekul tersebut di asumsikan saja keberadaannya

Teori kinetik dibangun berdasarkan ontologi atomistik. Ia berangkat dari anggapan kalau atom itu ada, padahal belum terbukti kalau atom itu ada di masanya. Baru ketika teori kinetik semakin berkembang, para filsuf sains dan ilmuan percaya bahwa atom itu ada. Pada pertengahan abad ke-19, yang diperdebatkan kemudian bukan lagi apakah atom itu ada atau tidak, tetapi bagaimana bentuk atom. Maxwell berasumsi kalau atom adalah bola elastis keras yang kemudian di revisi menjadi benda yang merupakan pusat gaya. Kelvin menganggap atom berbentuk cincin berputar dalam fluida sejati. Sementara itu, perkiraan ukurannya mulai pula diselidiki. J Loschmidt (1865) adalah yang pertama menghitung jumlah molekul per satuan volume yang kemudian sekarang disebut bilangan Avogadro.

Walau begitu, teori kinetik gas kemudian kehilangan dukungan karena atom dan molekul tak kunjung terbukti ada. JB Stallo (1884) mengkritik habis-habisan teori kinetik dengan menyebutnya “beriman pada hantu” dan “menghabis-habiskan tenaga pada teori yang memuakkan bagi masyarakat ilmuan yang cerdas”.

Eksistensi atom dan molekul akhirnya tak terbantahkan lagi ketika Jean Perrin (1913) melakukan eksperimen jenius untuk fenomena gerak Brown. Ia menyatakan kepastian empiris dari atom dan molekul dalam bukunya Les Atomes. Hal ini ditarik dari penjelasan Einstein (yang juga dibuat secara independen oleh Smoluchowski) atas gerak Brown sebagai hasil dari gerak molekul yang hanya dapat dijelaskan oleh teori kinetik dan atomisme. Tetapi, eksperimen Perrin pun memberikan kontradiksi yaitu memperkuat teori kinetik sekaligus meruntuhkannya.

Eksperimen Perrin

Eksperimen Perrin dilakukan pada gerak Brown, sebuah gerakan yang terlihat ketika partikel-partikel berada dalam suatu cairan. Partikel-partikel ini lebih padat dari pada cairan tempatnya berada, tapi ketika kesetimbangan tercapai, masih ada partikel yang tetap melayang (tidak tenggelam). Hal ini dapat dijelaskan bila jumlah rata-rata partikel yang melayang per satuan volume diasumsikan berada dalam gerak yang acak, menurun berdasarkan ketinggian. Berdasarkan asumsi ini, jumlah partikel dalam lapisan datar tipis dalam cairan yang datang dari bawah akan lebih banyak dari jumlah yang datang dari atas dan akan ada tekanan resultan yang mendorong partikel untuk naik. Kesetimbangan akan tercapai ketika tekanan ke atas ini seimbang dengan berat partikel.

Lalu mengapa saat kesetimbangan tetap ada bintik-bintik yang bergerak? Bintik-bintik kecil dalam fluida yang bergerak ini dianggap sebagai sebuah gerakan acak, sehingga sesuatu harusnya bekerja pada bintik-bintik kecil ini untuk menyebabkan gerakan tersebut. Karena ini tak dapat dilihat dengan mata atau memakai lensa, sesuatu tersebut pastilah sangat kecil (Perrin menggunakan mikroskop ultra). Bukannya fluida dipandang sebagai medium kontinyu hingga tak terbatas, tetapi ia dipandang terdiri dari partikel-partikel kecil yang disebut atom atau molekul yang masih cukup besar untuk memiliki momentum untuk menyebabkan bintik-bintik kecil tersebut bergerak.

Memang kedengarannya tidak terlalu meyakinkan untuk bukti adanya atom dan molekul. Bisa saja ia disebabkan oleh gejolak dari luar. Tetapi para ilmuan telah menggunakan berbagai cara untuk menguji kemungkinan lain, tidak satupun yang lebih meyakinkan daripada penjelasan Perrin. Atas dasar ini akhirnya Perrin mendapatkan hadiah nobel fisika tahun 1926 atas penelitiannya dalam struktur materi yang diskontinyu dan khususnya atas penemuan kesetimbangan endapan.

Perrin menggunakan eksperimennya untuk memverifikasi persamaan gerak Brown Einstein. Hal ini mengkonfirmasi bilangan Avogadro dalam tiga cara independen sekaligus. Adanya tiga cara mengkonfirmasi bilangan Avogadro membuat sangat kecil kemungkinan kalau keberadaan atom dan molekul tidak ada.

Yang menarik dari kisah ini adalah selama beribu tahun para filsuf berdebat apakah sebuah fluida bersifat kontinyu atau atomik, namun Perrin dan Einstein bekerja sama dan mengatakan kalau “dari pada berdebat, mari kita periksa”. Sebuah partikel uji akan bereaksi berbeda dalam dua kasus dan itulah yang berhasil mereka lakukan, dan mendukung pendapat kalau fluida bersifat atomik.

Eksperimen Perrin juga dipandang mendukung teori kinetik gas karena asumsi dasar teori ini adalah atom dan molekul itu ada. Atom dan molekul inilah yang menyebabkan gerakan Brown dan juga suhu. Tetapi selain mendukung teori kinetik, anehnya eksperimen Perrin juga memulai keruntuhan teori tersebut.

Keruntuhan Teori Kinetik Gas: Kelahiran Mekanika Statistik dan Teori Kuantum

Menurut Carl Hampel, teori kinetik merupakan penjelasan teoritis atas fenomenologi hukum-hukum gas seperti hukum Boyle. Kritik filsuf kontemporer atas Hempel tidak memberikan penafsiran alternatif atas bagaimana teori kinetik menjelaskan perilaku gas. Tampaknya, fakta kalau teori kinetik memberikan penjelasan ilmiah tak dapat diragukan lagi: setiap penjelasan teori yang kokoh harus mampu mempertimbangkan kekuatan penjelasan teori kinetik. Tetapi kemampuan teori ini menjelaskan bukan berarti bahwa teori ini benar.

Teori kinetik gas bermasalah pula dengan fenomena transpor. Usaha untuk mengatasi masalah ini seringkali dengan mengajukan dakuan yang bertentangan dengan dasar teori kinetik itu sendiri seperti mengasumsikan kalau molekul berbentuk titik ataupun bulat. Akibatnya, usaha-usaha ini pun gagal.

Eksperimen Perrin yang membuktikan adanya molekul dan atom justru menimbulkan pertanyaan-pertanyaan terkait molekul dan atom. Eksperimen Perrin di satu sisi, mampu menunjukkan kalau teori kinetik benar dalam mengatakan kalau molekul-molekul yang bergerak merupakan penyebab dari gerak Brown dan tekanan gas. Di sisi lain, eksperimen Perrin juga menunjukkan pada luruhnya prinsip ekuipartisi energi untuk derajat kebebasan vibrasional dan derajat kebebasan rotasional.

Elemen dasar teori kinetik adalah teorema ekuipartisi, yang menyatakan kalau setiap derajat kebebasan sistem mengambil bagian yang setara dari energi kinetik total. Teorema ekuipartisi pun digagalkan oleh pengamatan rasio kalor spesifik gas yang ternyata tidak sesuai dengan prediksi ekuipartisi. Lebih lanjut, pengamatan pada spektrum gas juga menolak prinsip ekuipartisi. Hal ini membawa pada mekanika kuantum yang memisahkan struktur atom internal (spektra) dari derajat kebebasan mekanis.

Teori kinetik bermasalah dengan teori termodinamika. Teori kinetik tidak mampu menjelaskan kecenderungan menuju kesetimbangan yang dijelaskan oleh hukum kedua termodinamika. Usaha menjelaskan hal ini diberikan oleh Boltzmann namun harus menambah satu lagi hipotesis baru yaitu Stosszahlansatz (kekacauan molekul). Hipotesis ini mengatakan kalau tidak ada korelasi statistik antara molekul sebelum dan sesudah tabrakan. Hipotesis ini sayangnya bertentangan dengan asumsi dasar teori kinetik kalau partikel gas bersifat deterministik sesuai hukum Newton.

Kontradiksi teori kinetik dengan hukum kedua termodinamika menjadi penghambat besar teori kinetik. Dari sinilah lahir mekanika statistik yang menyatakan kalau penurunan entropi bukannya mustahil tapi sangat kecil kemungkinannya: karena ada banyak keadaan mikro bersesuaian dengan keadaan makro entropi tinggi (kacau), kemungkinan kalau sistem itu memiliki entropi semakin besar jauh lebih besar daripada sebaliknya.

Kesimpulan

Teori kinetik gas sekarang sebenarnya telah tamat, tetapi tetap dimasukkan dalam buku paket SMA karena kesederhanaannya. Teori kinetik gas merupakan sisa-sisa petualangan ilmiah abad ke-19 dalam memahami fisika fluida. Ia memiliki pengaruh besar pada fisika abad ke-20, khususnya dalam kelahiran dan perkembangan teori kuantum. Sebagai contoh, penelitian Boltzmann, merupakan unsur kunci dalam solusi masalah radiasi badan hitam Planck yang menandakan awal teori kuantum di tahun 1900.

Referensi
faktailmiah.com