Termodinamika adalah cabang fisika yang berhubungan dengan konversi satu bentuk energi menjadi bentuk energi lainnya, terutama konversi panas menjadi bentuk energi lain. Konversi-konversi ini diatur oleh dua hukum dasar termodinamika. Seperti yang akan kita lihat di artkel ini, yang pertama adalah pernyataan umum dari Hukum Kekekalan Energi, dan yang kedua adalah pernyataan tentang efisiensi maksimum yang dapat dicapai dalam konversi panas menjadi kerja.
Termodinamika menjelaskan proses fisik dalam hal parameter makroskopis murni. Deskripsi makroskopis, skala besar seperti itu, secara inheren agak kasar, karena mengabaikan fenomena skala kecil, mikroskopis, seperti tumbukan molekul dengan dinding wadah yang kita kaji di pembahasan termodinamika lanjut Namun, dalam aplikasi praktis, pengetahuan tentang fenomena mikroskopis sering kali tidak diperlukan. Misalnya, seorang insinyur yang menyelidiki pembakaran bahan bakar di mesin roket akan merasa puas dengan hanya menangani besaran makroskopis seperti suhu, tekanan, densitas, dan kapasitas panas, serta mengabaikan perilaku mikroskopis dari gas-gas tersebut.
Pengembangan mesin uap untuk pembangkit energi mekanik (makroskopis) dari panas memotivasi pemeriksaan cermat terhadap prinsip-prinsip teoretis yang mendasari operasi mesin-mesin tersebut, yang mengarah pada penemuan Hukum Kekekalan Energi dan pengakuan bahwa panas adalah bentuk transfer energi. Mesin uap dan mesin panas lainnya tidak menciptakan energi; mereka hanya mengkonversi energi termal menjadi energi mekanik, yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat. Misalnya, mesin uap dari lokomotif kuno mengkonversi energi termal dari pembakaran batubara menjadi energi mekanik, dan mesin mobil mengkonversi energi termal dari pembakaran bensin menjadi energi mekanik.
Para insinyur abad ke-19 memulai studi termodinamika untuk menemukan batas-batas terakhir yang diberlakukan oleh hukum fisika terhadap operasi mesin uap dan mesin lainnya yang menghasilkan energi mekanik. Mereka kemudian menetapkan bahwa mesin gerak abadi, yang sebelumnya dicoba dibangun oleh para penemu, adalah mustahil. Mesin gerak abadi jenis pertama adalah perangkat (hipotetis) yang menghasilkan keluaran kerja tanpa henti tanpa masukan bahan bakar atau sumber energi lainnya. Gambar 1 menunjukkan desain yang diusulkan untuk mesin semacam itu. Beban-beban diikatkan ke pinggiran roda dengan batang-batang pendek yang berputar di atas pasak. Dengan batang-batang dalam posisi yang ditunjukkan, ada ketidakseimbangan distribusi beban yang menyebabkan torsi searah jarum jam pada roda; seiring roda berputar, batang yang mencapai bagian atas diasumsikan akan berputar balik, mempertahankan ketidakseimbangan. Torsi abadi ini tidak hanya akan membuat roda terus berputar, tetapi juga akan terus menerus menyalurkan energi ke poros roda.
Gambar 1 Mesin Gerak Abadi
Namun, analisis terperinci menunjukkan bahwa mesin ini tidak akan berfungsi seperti yang diharapkan—roda sebenarnya akan berhenti dalam konfigurasi keseimbangan statis sehingga batang atas hampir tidak gagal untuk berputar balik. Hukum Pertama Termodinamika, atau Hukum Kekekalan Energi, secara langsung memberitahu kita tentang kegagalan mesin ini: setelah satu revolusi roda, semua massa kembali ke posisi awalnya, energi potensialnya kembali ke nilai awalnya, dan mereka tidak akan menyampaikan energi bersih ke gerakan roda.
Mesin gerak abadi jenis kedua adalah perangkat yang mengekstraksi energi termal dari beberapa sumber panas, seperti udara atau air laut, dan mengubahnya menjadi energi mekanik. Perangkat semacam itu tidak dilarang oleh hukum kekekalan. Lautan adalah reservoir energi termal yang sangat besar; jika kita bisa mengekstraksi energi termal ini, penurunan suhu hanya 1°C dari lautan akan memenuhi kebutuhan energi Amerika Serikat untuk 50 tahun ke depan. Namun, seperti yang akan kita lihat, Hukum Kedua Termodinamika menyatakan bahwa konversi panas menjadi kerja memerlukan tidak hanya sumber panas.
Termodinamika mengajarkan bahwa konversi panas menjadi kerja memerlukan tidak hanya sumber panas, tetapi juga penampung panas. Panas mengalir keluar dari benda yang hangat hanya jika ada benda yang lebih dingin yang dapat menyerap panas tersebut. Jika kita ingin panas mengalir dari lautan ke dalam mesin kita, kita harus menyediakan penampung panas dengan suhu rendah sehingga menuju ke arah dimana panas cenderung mengalir secara spontan. Jika tidak ada penampung suhu rendah yang tersedia, ekstraksi panas dari lautan menjadi tidak mungkin, dan kita tidak dapat membangun mesin gerak abadi jenis kedua.
