Jika termodinamika klasik (sering disebut Thermostatics) berurusan dengan keadaan awal dan akhir, termodinamika tak-setimbang berurusan dengan laju (rate) dan fenomena transpor.
A. Postulat Kesetimbangan Lokal
Meskipun sistem secara keseluruhan tidak setimbang (misalnya, ada perbedaan suhu di sepanjang batang logam), kita mengasumsikan bahwa pada volume yang sangat kecil (mikroskopis), hukum-hukum termodinamika klasik masih berlaku. Ini memungkinkan kita mendefinisikan suhu ($T$) dan tekanan ($P$) sebagai fungsi dari posisi dan waktu.
B. Fluks dan Kekuatan Pendorong (Gaya Termodinamika)
Dalam sistem tak-setimbang, terjadi aliran (fluks) karena adanya perbedaan (gradien). Hukum-hukum dasar transpor adalah aplikasi langsung dari prinsip ini:
| Fenomena | Fluks (J) | Kekuatan Pendorong (X) | Hukum Fisika |
| Aliran Panas | Laju kalor | Gradien Suhu ($\nabla T$) | Hukum Fourier |
| Aliran Massa | Laju difusi | Gradien Konsentrasi ($\nabla C$) | Hukum Fick |
| Aliran Listrik | Arus listrik | Gradien Potensial ($\nabla V$) | Hukum Ohm |
C. Laju Produksi Entropi ($\sigma$)
Dalam termodinamika klasik, kita tahu $\Delta S \ge 0$. Dalam termodinamika tak-setimbang, kita menghitung seberapa cepat entropi diproduksi di setiap titik dalam ruang:
$$\sigma = \sum J_{i} X_{i} \ge 0$$
Artinya, produksi entropi adalah hasil perkalian antara Fluks (aliran) dan Gaya (gradien). Semakin besar gradien suhu atau tekanan, semakin cepat entropi diproduksi (dan semakin banyak eksergi yang musnah).
D. Relasi Resiprokal Onsager (Lars Onsager, Nobel 1968)
Ini adalah penemuan paling revolusioner dalam termodinamika modern. Onsager membuktikan bahwa pada sistem yang dekat dengan kesetimbangan, fluks yang berbeda dapat saling memengaruhi secara simetris.
Contoh: Efek Termoelektrik
- Efek Seebeck: Gradien suhu menghasilkan arus listrik.
- Efek Peltier: Arus listrik menghasilkan gradien suhu (pendinginan/pemanasan).
Onsager menunjukkan bahwa koefisien yang menghubungkan suhu ke listrik sama dengan koefisien yang menghubungkan listrik ke suhu.
🏁 Kesimpulan Perjalanan Termodinamika
Kita telah menempuh perjalanan dari dasar hingga puncak:
- Hukum Dasar: Fondasi energi dan entropi.
- Sistem Terbuka: Aplikasi pada mesin (Turbin, Kompresor).
- Siklus Daya & Pendingin: Bagaimana teknologi mengubah panas menjadi kerja dan sebaliknya.
- Eksergi: Mengukur kualitas energi dan pemborosan.
- Sistem Reaktif: Kimia, pembakaran, dan energi masa depan (Fuel Cells).
- Statistik: Rahasia atom di balik properti makro.
- Tak-Setimbang: Memahami laju dan fenomena transpor di dunia nyata.