Mikroskopis dan Makroskopis

Makroskopis

Di dalam menganalisis situasi-situasi fisika, maka kita biasanya memusatkan perhatian kita pada suatu bagian materi yang kita pisahkan di dalam pikiran kita dari lingkungan luarnya. Kita menamakan bagian seperti itu adalah sistem. Segala sesuatu di luar sistem tersebut yang mempunyai pengaruh langsung kepada sifat sistem tersebut dinamakan lingkungan. Batas antara sistem dengan lingkungannya disebut batas sistem (boundary), seperti terlihat pada Gambar 1.1. Dalam aplikasinya batas sistem merupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau bergerak. 

Ketika suatu sistem telah dipilih, langkah selanjutnya adalah mendeskripsikan karakter atau sifat-sifat yang berhubungan dengan sistem atau interaksinya dengan lingkungan. Seperti yang telah disebutkan dalam perkembangan ilmu termodinamika di atas, secara umum ada dua tinjauan yang kita ambil yakni tinjauan makroskopik dan tinjauan mikroskopik. Tinjauan makroskopik meliputi variabel atau sifat dari suatu sistem yang didekati dengan ukuran manusia yang lebih besar sedangkan tinjauan mikroskopik meliputi sifat dari sistem yang didekati dengan ukuran molekul yang lebih kecil. 

Dalam laboratorium pengukur tekanan akan digunakan untuk mengukur dan mencatat perubahan tekanan selama mesin bekerja. Akhirnya, ada satu lagi besaran yang tak boleh diabaikan dalam menjelaskan mesin yang bekerja tersebut. Besaran tersebut adalah temperatur (suhu), sebagaimana kita lihat, besaran ini dapat kita ukur sebagaimana besaran massa, volume dan tekanan. Kita telah dapat menjelaskan sistem dalam silinder dalam mesin kendaraan, dengan besaran masa, komposisi, volume, tekanan dan suhu. Besaran tersebut merujuk pada sesuatu dengan skala yang besar atau kumpulan sifat, dari suatu sistem yang memberikan penjelasan secara makroskopik, sehingga bisa juga disebut kuantitas makroskopik. Untuk sistem lain selain gas seperti tegangan tali, bahan dielektrik, batang paramagnetik dan besaran yang berbeda haruslah disesuaikan untuk dapat memberikan penjelasan makroskopik dari sistem tersebut; akan tetapi kuantitas makroskopik secara umum memiliki sifat sebagai berikut. 

1. Tidak mengandung asumsi khusus menyangkut struktur materi, medan, atau radiasi.

2. Mendeskripsikan sistem secara sederhana (memerlukan sedikit karakter dalam memberikan penjelasan).

3. Bersifat sangat mendasar, dapat dirasakan oleh indera.

4. Bersifat umum dan dapat diukur secara langsung.

Singkatnya, penjelasan secara makroskopik dari suatu sistem mengandung beberapa sifat umum yang dapat diukur yang dimiliki oleh sistem tersebut. Termodinamika merupakan salah satu cabang dari ilmu alam yang sesuai dengan sifat makroskopik atau karakteristik alam, termasuk kuantitas makroskopik dari temperatur untuk setiap sistem.  Adanya temperatur dalam termodinamika membedakan ilmu ini dengan cabang ilmu yang lain seperti, optik geometri, mekanika listrik dan magnet.

Mikroskopik 

Tinjauan mikroskopik merupakan hasil dari kemajuan yang pesat dalam pengetahuan mengenai molekul, atom dan inti selama kurun waktu satu abad ini. Dengan tinjauan ini suatu sistem dianggap terdiri dari jumlah yang amat besar (N) partikel, di mana setiap partikel memiliki energi E1, E2, ...En. Suatu partikel diasumsikan dapat berinteraksi antara satu dengan yang lainnya yang berarti terjadi tumbukan, atau ada gaya interaksi yang menyebabkan medan. Sistem partikel dapat dibayangkan terisolasi, atau dalam beberapa kasus dianggap sebagai sekelompok sistem yang sama yang terikat, atau disebut sistem assembly. Sehingga probabilitas matematik diterapkan, dan tingkat/derajat persamaan dari sistem tersebut diasumsikan sebagai tingkat/derajat dengan probabilitas yang terbesar. Masalah mendasar adalah menemukan jumlah partikel dalam setiap tingkat energi (tingkat populasi) jika suatu persamaan mampu menjangkau.

Mekanika statistik, merupakan salah satu cabang ilmu alam yang sesuai dengan karakter mikroskopik dari alam. Perlu diketahui bahwa mekanika statistik akan dibicarakan dalam buku ajar lainnya sehingga tidak perlu membahas materi lebih lanjut berdasarkan tinjauan mikroskopik. Sehingga jelas dari uraian di atas, bahwa penjelasan mikroskopik dari suatu sistem memiliki sifat sebagai berikut. 

1. Memiliki asumsi menyangkut struktur materi, medan dan radiasi.

2. Menetapkan beberapa besaran untuk menjelaskan sistem. 

3. Besaran yang ditetapkan tak perlu dapat dirasakan oleh indera, akan tetapi cukup dengan model matematis.

4. Tidak dapat diukur secara langsung, akan tetapi haruslah dihitung.

 Contoh Contoh-contoh aplikasi dari termodinamika yang memerlukan kajian mikroskopis untuk menjelaskan gejala fisisnya antara lain adalah laser, plasma (lapisan tipis), aliran gas kecepatan sangat tinggi, kinetika kimia, temperatur sangat rendah (crogenics), dan sebagainya

Hubungan Makroskopik dan Mikroskopik 

Walaupun kelihatannya kedua tinjauan tersebut sangatlah berbeda dan tidak cocok, akan tetapi kedua tinjauan tersebut diterapkan dalam sistem yang sama sehingga harus menghasilkan kesimpulan yang sama pula. Kedua tinjauan tersebut dapat disatukan karena beberapa sifat yang dapat diukur secara langsung yang memberikan penjelasan secara makroskopik sebenarnya merupakan harga rata-rata dari sejumlah besar sifat-sifat mikroskopik sistem dalam jangka waktu tertentu. Sebagai contoh, tekanan sebuah gas, yang dipandang secara makroskopik, diukur secara operasional dengan menggunakan sebuah manometer