Metabolisme dan Hukum Pertama Termodinamika

Metabolisme dan Hukum Pertama Termodinamika

  Apabila Anda melakukan kerja, seperti berjalan, berlari, atau mengangkat benda, maka Anda membutuhkan energi. Energi juga dibutuhkan untuk pertumbuhan, yaitu untuk membuat sel-sel baru dan mengganti sel-sel lama yang telah mati. Banyak proses perubahan bentuk energi yang terjadi dalam satu organisme, dan proses ini disebut sebagai metabolisme.

Metabolisme adalah istilah yang dipakai untuk mengidentifikasikan perubahan yang terjadi dalam kehidupan organisme yang bernyawa. Dalam arti luas, metabolisme sinonim dengan jumlah total reaksi kimia atau fisika yang diperlukan untuk kehidupan. Metabolisme juga dipakai dalam batasan untuk menunjukkan serangkaian reaksi dari tipe-tipe makanan (food stuff) atau derivatnya.

Terdapat perubahan bentuk energi berkelanjutan dalam tubuh ketika bekerja ataupun tidak. Kita dapat menerapkan hukum termodinamika pertama, ΔU = Q – W untuk semua organisme. Dimana ΔU adalah perubahan cadangan energi, Q adalah kalor yang hilang atau diperoleh , dan W adalah kerja yang dilakukan oleh tubuh dalam berbagai kegiatan. Jika hasilnya tidak berupa penurunan energi dalam tubuh (dan temperatur), energi harus ditambahkan untuk mengimbangi kekurangan energi. Energi dalam tubuh tidak dipertahankan oleh aliran kalor Q ke dalam tubuh. Biasanya, temperatur tubuh lebih tinggi dari lingkungannya, sehingga kalor mengalir keluar tubuh. Bahkan pada hari yang sangat panas ketika kalor diserap, tubuh tidak menggunakan kalor ini untuk menunjang proses vitalnya. Dengan demikian yang menjadi sumber energi adalah energi dalam (energi kimia) yang tersimpan dalam makanan. Pada sistem tertutup, energi dalam berubah hanya sebagai hasil aliran kalor atau kerja yang dilakukan.

Pada sistem terbuka, seperti hewan, energi dalam mengalir ke dalam atau keluar sistem. Ketika kita menyantap makanan, maka energi dalam masuk ke dalam tubuh kita, kemudian menaikkan energi dalam total U pada tubuh. Energi ini akhirnya dipakai untuk kerja dan aliran kalor dari tubuh menurut hukum pertama. Laju metabolisme adalah laju perubahan energi dalam pada tubuh menjadi kalor di dalam tubuh. Proses ini disebut sebagai laju metabolisme. Laju metabolisme dinyatakan dalam kJ/jam atau dalam J/s (watt). Laju metabolisme dapat mencapai nilai terendah 250-300 kJ/jam. Seseorang yang berjalan dengan tenang memiliki laju metobolisme sebesar 900 kJ/jam. Jika fisik seseorang tidak sehat, laju metabolism enya dapat mencapai 6000 kJ/jam atau lebih selama beberapa menit aktivitas berat.

Hukum Kedua Termodinamika

Hukum termodinamika pertama menyatakan kekekalan energi. Terdapat banyak proses yang mengubah energi, tetapi tidak tampak terjadi di alam. Sebagai contoh, ketika sebuah benda yang panas diletakkan bersentuhan dengan benda yang dingin, kalor mengalir dari panas ke dingin, tidak pernah sebaliknya secara spontan. Jika kalor meninggalkan benda yang dingin dan masuk ke yang panas, energi akan tetap bisa kekal. Proses ini tidak berlangsung secara spontan (maksudnya adalah dengan sendirinya tanpa masukan kerja dalam bentuk apapun). Sebagai contoh kedua, apa yang terjadi ketika Anda menjatuhkan batu dan menimpa tanah. Energi potensial awal batu berubah menjadi energi kinetik pada saat batu jatuh, dan ketika batu tersebut mengenai tanah, energi ini diubah menjadi energi dalam dari batu tersebut dan tanah di sekitar tempat jatuhnya; molekul-molekul bergerak lebih cepat dan temperatur sedikit naik. Pernahkan Anda melihat yang sebaliknya – sebuah batu dalam keadaan diam di tanah tiba-tiba naik ke udara karena energi termal molekul diubah menjadi energi kinetik batu sebagai satu kesatuan? Energi dapat kekal pada proses ini, tetapi kita tidak pernah melihatnya terjadi.

Terdapat banyak contoh lain dari proses yang terjadi di alam tetapi kebalikannya tidak pernah terjadi. Ada dua contoh yaitu (1) Jika Anda meletakkan selapis garam di sebuah botol dan menutupnya dengan selapis butiran merica yang ukurannya sama, ketika Anda mengocoknya, akan didapat campuran yang sempurna. Tentu campuran tersebut tidak akan berpisah menjadi dua lapisan lagi. (2) Cangkir kopi dan gelas akan pecah seketika jika Anda menjatuhkannya, tetapi pecahannya tidak akan bersatu kembali dengan sendirinya.

Hukum termodinamika pertama, kekekalan energi, tidak dilanggar jika proses-proses ini terjadi dengan sebaliknya. Untuk menjelaskan tidak adanya reversibilitas (bisa balik) para ilmuwan pada paruh abad kesembilan belas merumuskan prinsip baru yang dikenal sebagai hukum termodinamika kedua. Hukum ini merupakan pernyataan mengenai proses yang terjadi di alam. Hukum ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara. Satu pernyataan yang dibuat oleh R.J.E Clausius (1822-1888) adalah : Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin. Karena pernyataan ini berlaku untuk satu proses tertentu, tidak jelas apakah dapat berlaku untuk proses yang lain. Diperlukan pernyataan yang lebih umum yang akan mencakup proses lain yang mungkin, dengan cara yang lebih nyata.

Pernyataan umum hukum kedua sebagian didasarkan pada studi mesin kalor. Mesin kalor adalah alat yang mengubah energi termal menjadi energi mekanik, seperti mesin uap dan mesin mobil. Kita sekarang meneliti mesin kalor, baik dari sudut pandang praktis maupun untuk menunjukkan kepentingannya dalam pengembangan hukum termodinamika kedua.

Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

Pada paruh abad kesembilan belas hukum termodinamika kedua dinyatakan secara umum, yaitu dalam besaran yang disebut entropi, diperkenalkan oleh Clausius pada tahun 1860-an. Entropi (tidak seperti kalor), merupakan fungsi keadaan sistem. Entropi dapat dianggap sebagai ukuran keteraturan atau ketidakteraturan sistem.

Ketika kita menangani entropi – seperti energi potensial – yang penting adalah perubahan entropi selama proses, bukan besar mutlaknya. Menurut Clausius, perubahan entropi S selama proses, ketika kalor sejumlah Q ditambahkan kepadanya dengan proses yang revesibel pada temperatur konstan, dinyatakan sebagai berikut:

            S = Q/T 
T adalah temperatur (Kelvin)

Hukum termodinamika kedua dapat dinyatakan dalam entropi sebagai: entropi suatu sistem tertutup tidak pernah berkurang. Entropi tersebut hanya bisa tetap dan bertambah. Entropi bisa tetap sama hanya untuk proses ideal(reversibel). Untuk proses ril, perubahan entropi  S  lebih besar dari nol.

Jika sistem tidak terisolasi, maka perubahan entropi sistem S, ditambah perubahan entropi lingkungan S env, harus lebih besar dari satu sama dengan nol:

      S = Ss + Senv  lebih sama dengan nol 

Hanya proses ideal yang mempunyai S = 0. Proses ril memiliki S > 0. Hal ini kemudian merupakan pernyataan umum hukum termodinamika kedua: 

Entropi total sistem plus perubahan entropi lingkungannya bertambah sebagai akibat dari proses alamiah. 

Walaupun entropi suatu bagian alam semesta bisa menurun pada berbagai proses tertentu, entropi beberapa bagian yang lain dari alam semesta selalu bertambah dengan jumlah yang lebih besar, sehingga entropi total selalu bertambah.

Pada saat kita akhirnya mempunyai pernyataan umum kuantitatif mengenai hukum termodinamika kedua, kita bisa melihat bahwa hukum ini tidak biasa. Hukum ini berbeda cukup jauh dari hukum-hukum fisika lainnya, yang biasanya merupakan persamaan atau hukum kekekalan (seperti energi atau momentum). Hukum termodinamika kedua memperkenalkan besaran baru, entropi S, tetapi tidak memberitahu kita bahwa besaran tersebut kekal. Bahkan sebaliknya, entropi tidak kekal pada proses alamiah; entropi selalu bertambah terhadap waktu.

Problabilitas dan Hukum Kedua Termodinamika

Gagasan mengenai entropi dan ketidakteraturan diperjelas dengan menggunakan probabilistik keadaan molekul sistem. Pendekatan ini pertama kali dilakukan mendekati akhir abad kesembilan belas oleh Ludwig Boltzmann (1844-1906). Beliau membuat perbedaan keadaan molekul sistem. Perbedaan jelas antara “keadaan makro” dan “keadaan mikro” sebuah sistem. Keadaan mikro sistem akan dinyatakan ketika posisi dan kecepatan setiap partikel (atau molekul) diketahui. Keadaan makro sebuah sistem dinyatakan dengan memberikan sifat makroskopik sistem tersebut – temperatur, tekanan, jumlah mol, dan seterusnya. Pada kenyataannya, kita hanya dapat mengetahui keadaan makro sebuah sistem. Biasanya terdapat terlalu banyak molekul pada sebuah sistem untuk mengetahui kecepatan dan posisi masing-masing pada suatu saat tertentu. Penting untuk dikenali bahwa perbedaan besar dalam keadaan  mikro   dianggap sama dalam keadaan makro

Kita lihat contoh yang sederhana. Misalkan Anda secara berulang mengambil empat koin di tangan Anda dan menjatuhkannya di atas meja. Berapa banyak kepala dan ekor yang muncul pada satu lemparan koin sebagai keadaan makro dari sistem ini. Suatu pernyataan bahwa setiap koin sebagai kepala dan ekor berarti menyatakan keadaan mikro. Pada Tabel 2.1 kita lihat jumlah keadaan mikro yang berhubungan dengan setiap keadaan makro.

Tabel 2.1 Jumlah keadaan Mikro
Keadaan Makro Keadaan Mikro yang mungkin
(K = Kepala E = Ekor) Jmlh Kea-daan
Mikro

Asumsi dasar di balik pendekatan probabilitas ini bahwa setiap keadaan mikro mempunyai probabilitas yang sama. Dengan demikian jumlah keadaan mikro yang memberikan keadaan makro yang sama berhubungan dengan probabilitas relatif dari keadaan makro yang sedang terjadi. Keadaan makro dengan dua kepala dan dua ekor merupakan yang paling mungkin dalam kasus pelemparan empat koin ini; dari total 16 keadaan mikro yang mungkin, enam diantaranya sama dengan dua kepala dan dua ekor, sehingga probabilitas lemparan dua kepala dan dua ekor adalah 6 dari 16, ataua 25 persen. Probabilitas lemparan empat kepala hanya 1 dari 16, atau 16 persen. Tentu saja jika Anda melempar koin-koin tersebut 16 kali, Anda mungkin tidak mendapatkan bahwa dua kepala dan dua ekor muncul tepat 6 kali, atau kepala tepat empat kali. Angka-angka ini hanya merupakan probabilitas atau nilai rata-rata. Jika Anda melakukan 1600 lemparan, hampir 38 persen diantaranya berupa dua kepala dan dua ekor. Makin besar jumlah percobaan, makin dekat presentasi dengan probabilitas yang dihitung.

Jika kita mempertimbangkan melempar lebih banyak koin, katakanlah 100 pada saat yang sama, probabilitas relatif untuk melempar kepala seluruhnya (atau semua ekor) akan sangat berkurang. hanya ada satu keadaan mikro yang sama semua kepala. Untuk 99 kepala dan 1 ekor, ada 100 keadaan mikro karena setiap koin mungkin merupakan ekor tersebut. Probabilitas relatif untuk keadaan makro yang lain diberikan pada Tabel 2.2. Terdapat total sekitar 1030 keadaan makro yang mungkin. Dengan demikian probabilitas relatif yang mungkin untuk mendapatkan semua kepala adalah 1 dalam 1030, suatu hal yang kemungkinannya sangat kecil. Probabilitas mendapatkan 50 kepala dan 50 ekor (lihat Tabel 2.2) adalah 1,0 x 1029/1030 = 0,10. Probabilitas mendapatkan antara 45 dan 55 kepala adalah 0,90.

Tabel 2.2 Probabilitas Berbagai Keadaan Makro

untuk 100 Lemparan Koin

Dengan demikian kita lihat dengan bertambahnya jumlah koin, probabilitas mendapatkan susunan yang paling teratur (semua kepala atau semua ekor) menjadi sangat tidak mungkin. Susunan yang paling tidak teratur (setengah kepala, setengah ekor) merupakan yang paling mungkin dan probabilitas mendapatkan presentase tertentu (katakanlah, 5 persen) dari susunan yang paling mungkin bertambah besar dengan bertambahnya jumlah koin. Sebagai contoh, keadaan yang paling mungkin untuk gas (katakanlah, udara di dalam ruangan) merupakan keadaan dimana molekul-molekul mengambil tempat seluruh ruangan dan bergerak secara acak; hal ini berhubungan dengan distribusi Maxwell. Di pihak lain susunan yang sangat teratur dari semua molekul yang ditempatkan di satu sudut ruangan dan semuanya bergerak dengan laju yang sama sangat tidak mungkin.

Dalam probabilitas, hukum termodinamika kedua – yang memberitahu kita bahwa entropi bertambah pada semua proses – berubah ke pernyataan bahwa proses-proses yang terjadi adalah yang paling mungkin. Hukum kedua dengan demikian menjadi pernyataan sepele, bagaimanapun, sekarang ada elemen tambahan. Hukum kedua dalam hubungannya dengan probabilitasnya tidak melarang penurunan entropi, melainkan hanya menyatakan bahwa probabilitasnya sangat kecil. Bukanlah tidak mungkin bahwa garam dan merica akan secara spontan berpisah menjadi lapisan-lapisan lagi, atau sebuah cangkir yang pecah akan bersatu kembali.

Sebuah danau membeku pada hari musim panas yang panas (yaitu, kalor mengalir keluar dari danau yang dingin ke lingkungan yang lebih hangat). Akan tetapi probabilitas peristiwa-peristiwa tersebut terjadi sangat kecil. Pada contoh koin, penambahan jumlah koin dari 4 menjadi 100 memperkecil secara drastis probabilitas simpangan yang besar dari susunan rata-rata, yakni yang paling mungkin. Pada sistem-sistem biasa, kita tidak berhadapan dengan 100 molekul, tetapi dengan molekul yang jumlahnya sangat banyak; pada 1 mol terdapat 6 x 1023 molekul. Dengan demikian probabilitas simpangan yang jauh dari rata-rata sangatlah kecil.

Evolusi Biologis dan Pertumbuhan

Suatu contoh yang menarik dari penambahan entropi berhubungan dengan evolusi biologis dan pertumbuhan organisme. Jelas, seorang manusia merupakan organisme yang sanagt teratur. Proses evolusi dari makromolekul awal dan bentuk sederhana dari kehidupan sampai Homo sapiens merupakan proses keteraturan yang bertambah. Demikian juga perkembangan individu dari satu sel menjadi orang dewasa merupakan proses bertambahnya keteraturan. Apakah proses-proses ini melanggar hukum termodinamika kedua? Tidak, pada proses evolusi dan pertumbuhan, dan bahkan selama kehidupan orang dewasa, hasil pembuangan dieliminasi. Molekul-molekul kecil yang tetap sebagai hasil metabolisme ini merupakan molekul-molekul sederhana tersebut menyatakan ketidakteraturan yang relatif lebih tinggi atau entropi. Memang, entropi total molekul yang dihasilkan oleh organisme selama proses evolusi dan pertumbuhan lebih besar dibanding penurunan entropi yang berhubungan dengan keteraturan individu yang tumbuh atau spesies yang berkembang.

Aspek lainnya dari hukum termodinamika kedua adalah bahwa hukum tersebut memberitahu kita mengenai arah proses. Jika Anda melihat sebuah film yang diputar mundur, Anda akan bisa mengatakan bahwa film itu diputar mundur. Karena Anda akan melihat kejadian yang aneh, seperti cangkir kopi yang pecah naik dari lantai dan tersusun kembali di meja, atau balon yang pecah menjadi satu lagi dan terisi oleh udara. Kita tahu bahwa hal-hal ini tidak terjadi di kehidupan nyata; hal-hal ini merupakan proses-proses dimana keteraturan bertambah – atau entropi berkurang. Hal-hal ini melanggar hukum termodinamika kedua. Ketika menonton sebuah film (atau membayangkan bahwa waktu dapat berjalan mundur), kita diberi pertunjukan terbaliknya waktu dengan melihat apakah entropi bertambah atau berkurang. Itu sebabnya, entropi disebut panah waktu, karena bisa memberitahu kita mengenai arah berjalannya waktu.