Informasi

5.3: Berpikir secara entropis (dan secara termodinamika) - Biologi

5.3: Berpikir secara entropis (dan secara termodinamika) - Biologi



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Kami tentu tidak dalam posisi untuk mengajari Anda (secara ketat) dasar-dasar kimia dan reaksi kimia (atau fisika dalam hal ini), tetapi kami dapat memberikan penyegaran singkat yang berfokus pada poin-poin penting yang akan kami gunakan berulang kali149. Sementara kita akan mempertimbangkan sifat batas secara lebih rinci secara molekuler di bab berikutnya, kita dapat mengantisipasi bahwa salah satu fitur kunci batas adalah selektivitasnya dalam membiarkan energi dan/atau materi masuk dan keluar dari sistem, dan kendala apa itu berlaku untuk gerakan-gerakan itu.

Dengan asumsi bahwa Anda telah diperkenalkan dengan kimia, Anda mungkin mengenali persamaan energi bebas Gibb: G = H - TΔS, di mana T adalah suhu sistem150. Dari perspektif biologis kita, kita dapat menganggap H sebagai jumlah panas yang dilepaskan ke (atau diserap dari) lingkungan selama reaksi, dan S sebagai perubahan dalam faktor sistem yang dikenal sebagai entropi. Untuk menempatkan persamaan ini dalam konteks, mari kita pikirkan reaksi sederhana:

minyak bercampur air minyak + air (terpisah) G negatif

Sementara reaksi tipikal melibatkan perubahan jenis dan jumlah molekul yang ada, kita dapat memperluas pandangan itu ke semua jenis reaksi, termasuk yang melibatkan perubahan suhu bagian-bagian berbeda dari suatu sistem (model batang di atas) dan pemisahan berbagai jenis molekul dalam cairan (contoh minyak-air). Setiap reaksi dicirikan oleh konstanta kesetimbangannya, Kpersamaan, yang merupakan fungsi dari reaksi itu sendiri dan kondisi di mana reaksi dilakukan. Kondisi ini mencakup parameter seperti keadaan awal sistem, konsentrasi reaktan, serta suhu dan tekanan sistem. Dalam sistem biologis kita umumnya mengabaikan tekanan, meskipun tekanan akan menjadi penting bagi organisme yang hidup di dasar laut (dan mungkin puncak gunung).

Konstanta kesetimbangan untuk suatu reaksi didefinisikan sebagai laju reaksi maju kF (reaktan menjadi produk) dibagi dengan laju reaksi balik kR (produk ke reaktan). Pada kesetimbangan (di mana tidak ada makroskopik yang terjadi), kF kali konsentrasi reaktan sama dengan kR kali konsentrasi produk. Untuk reaksi yang menguntungkan secara termodinamika, yaitu reaksi yang menguntungkan produk, kF akan lebih besar dari kR dan Kpersamaan akan lebih besar, seringkali jauh lebih besar dari satu. K . yang lebih besarpersamaan adalah, semakin banyak produk dan semakin sedikit reaktan yang akan ada ketika sistem berada pada kesetimbangan. Jika konstanta kesetimbangan kurang dari 1, maka pada kesetimbangan, konsentrasi reaktan akan lebih besar dari konsentrasi produk.

[K_{eq}={k_f}/{k_r}] [K_f (reaktan)=K_r (produk)]

Sementara konsentrasi reaktan dan produk reaksi pada kesetimbangan tetap konstan, adalah kesalahan untuk berpikir bahwa sistem itu statis. Jika kita mengintip ke dalam sistem pada tingkat molekuler, kita akan menemukan bahwa, pada kesetimbangan, reaktan terus membentuk produk dan produk menata ulang untuk membentuk reaktan dengan laju yang sama.151. Itu berarti bahwa fluks bersih, laju pembentukan produk dikurangi laju pembentukan reaktan, akan menjadi nol. Jika, pada kesetimbangan, reaksi hampir selesai dan Kpersamaan>> 1, akan ada sangat sedikit reaktan yang tersisa dan banyak produk. Produk dari konstanta laju maju kali konsentrasi reaktan kecil akan sama dengan produk dari konstanta laju mundur kali konsentrasi produk tinggi. Mengingat bahwa sebagian besar reaksi melibatkan tumbukan fisik antar molekul, perubahan frekuensi tumbukan produktif antara reaktan atau produk meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasinya. Bahkan peristiwa yang tidak mungkin dapat terjadi, meskipun jarang, jika tingkat peristiwa pendahulunya cukup tinggi.


6.3 Hukum Termodinamika

Pada akhir bagian ini, Anda akan dapat melakukan hal berikut:

Termodinamika mengacu pada studi energi dan transfer energi yang melibatkan materi fisik. Materi dan lingkungannya yang relevan dengan kasus perpindahan energi tertentu diklasifikasikan sebagai suatu sistem, dan segala sesuatu di luar sistem itu adalah lingkungannya. Misalnya, saat memanaskan panci air di atas kompor, sistemnya mencakup kompor, panci, dan air. Perpindahan energi di dalam sistem (antara kompor, panci, dan air). Ada dua jenis sistem: terbuka dan tertutup. Sistem terbuka adalah sistem di mana energi dapat berpindah antara sistem dan lingkungannya. Sistem kompor terbuka karena dapat melepaskan panas ke udara. Sistem tertutup adalah sistem yang tidak dapat mentransfer energi ke lingkungannya.

Organisme biologis adalah sistem terbuka. Pertukaran energi antara mereka dan lingkungan mereka, karena mereka mengkonsumsi molekul penyimpan energi dan melepaskan energi ke lingkungan dengan melakukan kerja. Seperti semua hal di dunia fisik, energi tunduk pada hukum fisika. Hukum termodinamika mengatur transfer energi di dalam dan di antara semua sistem di alam semesta.

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika berkaitan dengan jumlah total energi di alam semesta. Ini menyatakan bahwa jumlah total energi ini konstan. Dengan kata lain, selalu ada, dan akan selalu ada, jumlah energi yang persis sama di alam semesta. Energi ada dalam berbagai bentuk. Menurut hukum pertama termodinamika, energi dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain atau berubah menjadi bentuk yang berbeda, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Transfer dan transformasi energi terjadi di sekitar kita sepanjang waktu. Bola lampu mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. Kompor gas mengubah energi kimia dari gas alam menjadi energi panas. Tumbuhan melakukan salah satu transformasi energi yang paling berguna secara biologis di bumi: yaitu mengubah energi sinar matahari menjadi energi kimia yang tersimpan dalam molekul organik (Gambar 6.2). Gambar 6.11 contoh transformasi energi.

Tantangan bagi semua organisme hidup adalah untuk mendapatkan energi dari lingkungan mereka dalam bentuk yang dapat mereka transfer atau ubah menjadi energi yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan. Sel hidup telah berevolusi untuk memenuhi tantangan ini dengan sangat baik. Energi kimia yang tersimpan dalam molekul organik seperti gula dan lemak berubah melalui serangkaian reaksi kimia seluler menjadi energi dalam molekul ATP. Energi dalam molekul ATP mudah diakses untuk melakukan kerja. Contoh jenis pekerjaan yang perlu dilakukan sel termasuk membangun molekul kompleks, mengangkut bahan, menggerakkan gerakan pemukulan silia atau flagela, mengontraksikan serat otot untuk menciptakan gerakan, dan reproduksi.

Hukum Kedua Termodinamika

Tugas utama sel hidup untuk memperoleh, mengubah, dan menggunakan energi untuk melakukan pekerjaan mungkin tampak sederhana. Namun, hukum kedua termodinamika menjelaskan mengapa tugas-tugas ini lebih sulit daripada yang terlihat. Tak satu pun dari transfer energi yang telah kita diskusikan, bersama dengan semua transfer dan transformasi energi di alam semesta, benar-benar efisien. Dalam setiap transfer energi, sejumlah energi hilang dalam bentuk yang tidak dapat digunakan. Dalam kebanyakan kasus, bentuk ini adalah energi panas. Secara termodinamika, para ilmuwan mendefinisikan energi panas sebagai energi yang berpindah dari satu sistem ke sistem lain yang tidak melakukan kerja. Misalnya, ketika sebuah pesawat terbang di udara, ia kehilangan sebagian energinya sebagai energi panas karena gesekan dengan udara di sekitarnya. Gesekan ini sebenarnya memanaskan udara dengan meningkatkan kecepatan molekul udara untuk sementara. Demikian juga, beberapa energi hilang sebagai energi panas selama reaksi metabolisme seluler. Ini bagus untuk makhluk berdarah panas seperti kita, karena energi panas membantu menjaga suhu tubuh kita. Sebenarnya, tidak ada transfer energi yang benar-benar efisien, karena sebagian energi hilang dalam bentuk yang tidak dapat digunakan.

Konsep penting dalam sistem fisik adalah keteraturan dan ketidakteraturan (atau keacakan). Semakin banyak energi yang hilang dari suatu sistem ke lingkungannya, semakin tidak teratur dan semakin acak sistem tersebut. Para ilmuwan mengacu pada ukuran keacakan atau ketidakteraturan dalam suatu sistem sebagai entropi. Entropi tinggi berarti ketidakteraturan tinggi dan energi rendah (Gambar 6.12). Untuk lebih memahami entropi, pikirkan kamar tidur siswa. Jika tidak ada energi atau kerja yang dimasukkan ke dalamnya, ruangan akan cepat menjadi berantakan. Itu akan ada dalam keadaan yang sangat tidak teratur, salah satu dari entropi tinggi. Energi harus dimasukkan ke dalam sistem, dalam bentuk siswa melakukan pekerjaan dan menyingkirkan segala sesuatu, untuk membawa ruangan kembali ke keadaan bersih dan teratur. Keadaan ini adalah salah satu entropi rendah. Demikian pula, mobil atau rumah harus selalu dirawat dengan pekerjaan agar tetap dalam keadaan teratur. Dibiarkan sendirian, entropi rumah atau mobil secara bertahap meningkat melalui karat dan degradasi. Molekul dan reaksi kimia memiliki jumlah entropi yang bervariasi juga. Misalnya, ketika reaksi kimia mencapai keadaan setimbang, entropi meningkat, dan ketika molekul pada konsentrasi tinggi di satu tempat berdifusi dan menyebar, entropi juga meningkat.

Koneksi Metode Ilmiah

Transfer Energi dan Entropi yang Dihasilkan

Siapkan eksperimen sederhana untuk memahami bagaimana energi berpindah dan bagaimana perubahan dalam hasil entropi.

  1. Ambil balok es. Ini adalah air dalam bentuk padat, sehingga memiliki tatanan struktural yang tinggi. Ini berarti bahwa molekul tidak dapat bergerak terlalu banyak dan berada dalam posisi tetap. Suhu es adalah 0 °C. Akibatnya, entropi sistem menjadi rendah.
  2. Biarkan es mencair pada suhu kamar. Bagaimana keadaan molekul dalam air cair sekarang? Bagaimana perpindahan energi itu terjadi? Apakah entropi sistem lebih tinggi atau lebih rendah? Mengapa?
  3. Panaskan air sampai titik didihnya. Apa yang terjadi pada entropi sistem ketika air dipanaskan?

Pikirkan semua sistem fisik dengan cara ini: Makhluk hidup sangat teratur, membutuhkan masukan energi yang konstan untuk mempertahankan diri dalam keadaan entropi rendah. Saat sistem kehidupan mengambil molekul penyimpan energi dan mengubahnya melalui reaksi kimia, mereka kehilangan sejumlah energi yang dapat digunakan dalam prosesnya, karena tidak ada reaksi yang sepenuhnya efisien. Mereka juga menghasilkan limbah dan produk sampingan yang bukan sumber energi yang berguna. Proses ini meningkatkan entropi lingkungan sistem. Karena semua transfer energi mengakibatkan hilangnya beberapa energi yang dapat digunakan, hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa setiap transfer energi atau transformasi meningkatkan entropi alam semesta. Meskipun makhluk hidup sangat teratur dan mempertahankan keadaan entropi rendah, entropi alam semesta secara total terus meningkat karena kehilangan energi yang dapat digunakan dengan setiap transfer energi yang terjadi. Pada dasarnya, makhluk hidup berada dalam perjuangan berat yang terus-menerus melawan peningkatan entropi universal yang konstan ini.


6.3 Hukum Termodinamika

Pada bagian ini, Anda akan mengeksplorasi pertanyaan-pertanyaan berikut:

  • Apa itu entropi?
  • Apa perbedaan antara hukum pertama dan kedua termodinamika?

Koneksi untuk Kursus AP ®

Dalam mempelajari energi, para ilmuwan menggunakan istilah sistem untuk merujuk pada materi dan lingkungannya yang terlibat dalam transfer energi, seperti ekosistem. Bahkan sel tunggal adalah sistem biologis dan semua sistem membutuhkan energi untuk menjaga ketertiban. Semakin teratur suatu sistem, semakin rendah entropinya. Entropi adalah ukuran ketidakteraturan sistem. (Bayangkan kamar tidur Anda sebagai sebuah sistem. Pada hari Minggu malam, Anda membuang pakaian kotor ke keranjang cucian, meletakkan kembali buku di rak, dan mengembalikan piring kotor ke dapur. Membersihkan kamar Anda membutuhkan masukan energi. Apa yang secara bertahap terjadi sebagai minggu berlangsung? Anda dapat menebaknya: entropi.) Semua sistem biologis mematuhi hukum kimia dan fisika, termasuk hukum termodinamika yang menggambarkan sifat dan proses transfer energi dalam sistem. Hukum pertama menyatakan bahwa jumlah total energi di alam semesta adalah energi konstan yang tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah dan ditransfer. Hukum kedua menyatakan bahwa setiap transfer energi melibatkan beberapa kehilangan energi dalam bentuk yang tidak dapat digunakan, seperti energi panas, menghasilkan sistem yang lebih tidak teratur (misalnya, kamar tidur Anda selama seminggu). Dengan demikian, tidak ada transfer energi yang benar-benar efisien. (Kami akan mengeksplorasi bagaimana energi bebas disimpan, ditransfer, dan digunakan secara lebih rinci ketika kami mempelajari fotosintesis dan respirasi seluler.)

Informasi yang disajikan dan contoh yang disorot di bagian, konsep pendukung dan Tujuan Pembelajaran yang diuraikan dalam Ide Besar 2 dari Kerangka Kurikulum Biologi AP ®. Tujuan Pembelajaran yang tercantum dalam Kerangka Kurikulum memberikan dasar yang transparan untuk kursus AP ® Biologi, pengalaman laboratorium berbasis inkuiri, kegiatan instruksional, dan pertanyaan Ujian AP ®. Tujuan Pembelajaran menggabungkan konten yang diperlukan dengan satu atau lebih dari tujuh Praktik Sains.

Ide Besar 2 Sistem biologis memanfaatkan energi bebas dan blok bangunan molekuler untuk tumbuh, berkembang biak, dan mempertahankan homeostasis dinamis.
Pemahaman yang Berkelanjutan 2.A Pertumbuhan, reproduksi, dan pemeliharaan sistem kehidupan membutuhkan energi dan materi bebas.
Pengetahuan Penting 2.A.1 Semua sistem kehidupan membutuhkan masukan energi bebas yang konstan.
Praktek Sains 6.2 Siswa dapat mengkonstruksi penjelasan fenomena berdasarkan bukti yang dihasilkan melalui praktik ilmiah.
Tujuan Pembelajaran 2.1 Mahasiswa mampu menjelaskan bagaimana sistem biologi menggunakan energi bebas berdasarkan data empiris bahwa semua organisme memerlukan masukan energi yang konstan untuk mempertahankan organisasi, tumbuh, dan berkembang biak.

Dukungan Guru

Gunakan survei yang dilakukan siswa sebelumnya di lingkungan mereka, atau kota dan minta mereka menentukan jumlah energi (dinyatakan sebagai biaya) yang diperlukan untuk memperbaiki satu contoh, atau mengembalikannya ke "pesanan". Uang adalah energi yang digunakan untuk perbaikan, bahan adalah apa yang akan langsung digunakan untuk perbaikan dan biaya overhead dapat dianalogikan dengan uang yang hilang dalam proses. Dalam reaksi kimia dengan transfer energi, overhead ini adalah energi yang hilang yang dinyatakan sebagai panas.

Pertanyaan Tantangan Praktik Sains berisi pertanyaan tes tambahan untuk bagian ini yang akan membantu Anda mempersiapkan diri untuk ujian AP. Pertanyaan-pertanyaan ini membahas standar berikut:
[APLO 2.1][APLO 2.2][APLO 2.4][APLO 4.16][APLO 2.3]

Termodinamika mengacu pada studi energi dan transfer energi yang melibatkan materi fisik. Materi dan lingkungannya yang relevan dengan kasus perpindahan energi tertentu diklasifikasikan sebagai sistem, dan segala sesuatu di luar sistem itu disebut lingkungan. Misalnya, saat memanaskan panci air di atas kompor, sistemnya mencakup kompor, panci, dan air. Energi ditransfer dalam sistem (antara kompor, panci, dan air). Ada dua jenis sistem: terbuka dan tertutup. Sistem terbuka adalah sistem di mana energi dapat ditransfer antara sistem dan lingkungannya. Sistem kompor terbuka karena panas dapat hilang ke udara. Sistem tertutup adalah sistem yang tidak dapat mentransfer energi ke lingkungannya.

Organisme biologis adalah sistem terbuka. Energi dipertukarkan antara mereka dan lingkungan mereka, karena mereka mengkonsumsi molekul penyimpan energi dan melepaskan energi ke lingkungan dengan melakukan kerja. Seperti semua hal di dunia fisik, energi tunduk pada hukum fisika. Hukum termodinamika mengatur transfer energi di dalam dan di antara semua sistem di alam semesta.

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika berkaitan dengan jumlah total energi di alam semesta. Ini menyatakan bahwa jumlah total energi ini konstan. Dengan kata lain, selalu ada, dan akan selalu ada, jumlah energi yang persis sama di alam semesta. Energi ada dalam berbagai bentuk. Menurut hukum pertama termodinamika, energi dapat dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain atau diubah menjadi bentuk yang berbeda, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Transfer dan transformasi energi terjadi di sekitar kita sepanjang waktu. Bola lampu mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. Kompor gas mengubah energi kimia dari gas alam menjadi energi panas. Tumbuhan melakukan salah satu transformasi energi yang paling berguna secara biologis di bumi: yaitu mengubah energi sinar matahari menjadi energi kimia yang tersimpan dalam molekul organik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.2. Beberapa contoh transformasi energi ditunjukkan pada Gambar 6.11.

Tantangan bagi semua organisme hidup adalah untuk mendapatkan energi dari lingkungan mereka dalam bentuk yang dapat mereka transfer atau ubah menjadi energi yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan. Sel hidup telah berevolusi untuk memenuhi tantangan ini dengan sangat baik. Energi kimia yang tersimpan dalam molekul organik seperti gula dan lemak diubah melalui serangkaian reaksi kimia seluler menjadi energi dalam molekul ATP. Energi dalam molekul ATP mudah diakses untuk melakukan kerja. Contoh jenis pekerjaan yang perlu dilakukan sel termasuk membangun molekul kompleks, mengangkut bahan, menggerakkan gerakan pemukulan silia atau flagela, mengontraksikan serat otot untuk menciptakan gerakan, dan reproduksi.

Hukum Kedua Termodinamika

Tugas utama sel hidup untuk memperoleh, mengubah, dan menggunakan energi untuk melakukan kerja mungkin tampak sederhana. Namun, hukum kedua termodinamika menjelaskan mengapa tugas-tugas ini lebih sulit daripada yang terlihat. Tak satu pun dari transfer energi yang telah kita diskusikan, bersama dengan semua transfer energi dan transformasi di alam semesta, benar-benar efisien. Dalam setiap transfer energi, sejumlah energi hilang dalam bentuk yang tidak dapat digunakan. Dalam kebanyakan kasus, bentuk ini adalah energi panas.Secara termodinamika, energi panas didefinisikan sebagai energi yang dipindahkan dari satu sistem ke sistem lain yang tidak melakukan kerja. Misalnya, ketika sebuah pesawat terbang di udara, sebagian energi dari pesawat terbang itu hilang sebagai energi panas karena gesekan dengan udara di sekitarnya. Gesekan ini sebenarnya memanaskan udara dengan meningkatkan kecepatan molekul udara untuk sementara. Demikian juga, beberapa energi hilang sebagai energi panas selama reaksi metabolisme seluler. Ini bagus untuk makhluk berdarah panas seperti kita, karena energi panas membantu menjaga suhu tubuh kita. Sebenarnya, tidak ada transfer energi yang benar-benar efisien, karena sebagian energi hilang dalam bentuk yang tidak dapat digunakan.

Konsep penting dalam sistem fisik adalah keteraturan dan ketidakteraturan (juga dikenal sebagai keacakan). Semakin banyak energi yang hilang oleh suatu sistem ke sekelilingnya, semakin tidak teratur dan semakin acak sistem tersebut. Para ilmuwan mengacu pada ukuran keacakan atau ketidakteraturan dalam suatu sistem sebagai entropi. Entropi tinggi berarti ketidakteraturan tinggi dan energi rendah (Gambar 6.12). Untuk lebih memahami entropi, pikirkan kamar tidur siswa. Jika tidak ada energi atau kerja yang dimasukkan ke dalamnya, ruangan akan cepat menjadi berantakan. Itu akan ada dalam keadaan yang sangat tidak teratur, salah satu dari entropi tinggi. Energi harus dimasukkan ke dalam sistem, dalam bentuk siswa melakukan pekerjaan dan menyingkirkan segala sesuatu, untuk membawa ruangan kembali ke keadaan bersih dan teratur. Keadaan ini adalah salah satu entropi rendah. Demikian pula, mobil atau rumah harus selalu dirawat dengan pekerjaan agar tetap dalam keadaan teratur. Dibiarkan saja, entropi rumah atau mobil secara bertahap meningkat melalui karat dan degradasi. Molekul dan reaksi kimia memiliki jumlah entropi yang bervariasi juga. Misalnya, ketika reaksi kimia mencapai keadaan setimbang, entropi meningkat, dan ketika molekul pada konsentrasi tinggi di satu tempat berdifusi dan menyebar, entropi juga meningkat.

Koneksi Metode Ilmiah

Transfer Energi dan Entropi yang Dihasilkan

Buatlah percobaan sederhana untuk memahami bagaimana energi ditransfer dan bagaimana perubahan hasil entropi.

  1. Ambil balok es. Ini adalah air dalam bentuk padat, sehingga memiliki tatanan struktural yang tinggi. Ini berarti bahwa molekul tidak dapat bergerak terlalu banyak dan berada dalam posisi tetap. Temperatur es tersebut adalah 0°C. Akibatnya, entropi sistem rendah.
  2. Biarkan es mencair pada suhu kamar. Bagaimana keadaan molekul dalam air cair sekarang? Bagaimana perpindahan energi itu terjadi? Apakah entropi sistem lebih tinggi atau lebih rendah? Mengapa?
  3. Panaskan air sampai titik didihnya. Apa yang terjadi pada entropi sistem ketika air dipanaskan?

Semua sistem fisik dapat dipikirkan dengan cara ini: Makhluk hidup sangat teratur, membutuhkan masukan energi yang konstan untuk dipertahankan dalam keadaan entropi rendah. Saat sistem kehidupan mengambil molekul penyimpan energi dan mengubahnya melalui reaksi kimia, mereka kehilangan sejumlah energi yang dapat digunakan dalam prosesnya, karena tidak ada reaksi yang sepenuhnya efisien. Mereka juga menghasilkan limbah dan produk sampingan yang bukan sumber energi yang berguna. Proses ini meningkatkan entropi lingkungan sistem. Karena semua transfer energi mengakibatkan hilangnya beberapa energi yang dapat digunakan, hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa setiap transfer energi atau transformasi meningkatkan entropi alam semesta. Meskipun makhluk hidup sangat teratur dan mempertahankan keadaan entropi rendah, entropi alam semesta secara total terus meningkat karena hilangnya energi yang dapat digunakan dengan setiap transfer energi yang terjadi. Pada dasarnya, makhluk hidup berada dalam perjuangan berat yang terus-menerus melawan peningkatan entropi universal yang konstan ini.


Isi

Dalam makalahnya tahun 1803, Prinsip Dasar Kesetimbangan dan Pergerakan, matematikawan Prancis Lazare Carnot mengusulkan bahwa dalam mesin apa pun percepatan dan guncangan dari bagian yang bergerak mewakili kerugian momen kegiatan dalam setiap proses alami ada kecenderungan yang melekat pada disipasi energi yang berguna. Pada tahun 1824, berdasarkan karya itu, putra Lazare, Sadi Carnot, menerbitkan Refleksi tentang Kekuatan Motif Api, yang menyatakan bahwa di semua mesin panas, setiap kali "kalori" (yang sekarang dikenal sebagai panas) jatuh melalui perbedaan suhu, kerja atau daya gerak dapat dihasilkan dari tindakan jatuhnya dari benda panas ke dingin. Dia menggunakan analogi dengan bagaimana air jatuh di kincir air. Itu adalah wawasan awal tentang hukum kedua termodinamika. [5] Carnot mendasarkan pandangannya tentang panas sebagian pada "hipotesis Newton" awal abad ke-18 bahwa panas dan cahaya adalah jenis bentuk materi yang tidak dapat dihancurkan, yang tertarik dan ditolak oleh materi lain, dan sebagian pada pandangan kontemporer Count Rumford, yang menunjukkan pada tahun 1789 bahwa panas dapat diciptakan oleh gesekan, seperti ketika lubang meriam dibuat dengan mesin. [6] Carnot beralasan bahwa jika tubuh zat kerja, seperti tubuh uap, dikembalikan ke keadaan semula pada akhir siklus mesin yang lengkap, "tidak ada perubahan yang terjadi pada kondisi tubuh kerja".

Hukum pertama termodinamika, disimpulkan dari percobaan gesekan panas James Joule pada tahun 1843, mengungkapkan konsep energi, dan kekekalannya dalam semua proses hukum pertama, bagaimanapun, tidak dapat mengukur efek gesekan dan disipasi.

Pada tahun 1850-an dan 1860-an, fisikawan Jerman Rudolf Clausius keberatan dengan anggapan bahwa tidak ada perubahan yang terjadi pada benda kerja, dan memberikan interpretasi matematis perubahan itu, dengan mempertanyakan sifat hilangnya panas yang dapat digunakan saat kerja dilakukan, misalnya panas dihasilkan oleh gesekan. [7] Dia menggambarkan pengamatannya sebagai penggunaan energi disipatif, menghasilkan a transformasi-konten (Verwandlungsinhalt dalam bahasa Jerman), dari sistem termodinamika atau benda kerja spesies kimia selama perubahan keadaan. [7] Berbeda dengan pandangan sebelumnya, berdasarkan teori Isaac Newton, panas adalah partikel yang tidak dapat dihancurkan yang memiliki massa. Clausius menemukan bahwa energi yang tidak dapat digunakan meningkat saat uap mengalir dari saluran masuk ke pembuangan di mesin uap. Dari awalan en-, seperti dalam 'energi', dan dari kata Yunani τροπή [tropē], yang diterjemahkan dalam leksikon mapan sebagai berputar atau mengubah, [8] dan dia menerjemahkannya dalam bahasa Jerman sebagai Verwandlung, sebuah kata yang sering diterjemahkan ke dalam bahasa Inggris sebagai transformasi, pada tahun 1865, Clausius menciptakan nama properti itu sebagai entropi. [9] Kata itu diadopsi ke dalam bahasa Inggris pada tahun 1868.

Kemudian, ilmuwan seperti Ludwig Boltzmann, Josiah Willard Gibbs, dan James Clerk Maxwell memberikan entropi sebagai basis statistik. Pada tahun 1877, Boltzmann memvisualisasikan cara probabilistik untuk mengukur entropi suatu ensemble partikel gas ideal, di mana ia mendefinisikan entropi sebagai sebanding dengan logaritma natural dari jumlah keadaan mikro yang dapat ditempati oleh gas tersebut. Selanjutnya, masalah penting dalam termodinamika statistik adalah menentukan distribusi sejumlah energi tertentu E lebih n sistem yang identik. Constantin Carathéodory, ahli matematika Yunani, menghubungkan entropi dengan definisi matematika tentang ireversibilitas, dalam hal lintasan dan keterpaduan.

Pada tahun 1865, Clausius menamakan konsep "perbedaan besaran yang bergantung pada konfigurasi sistem," entropi (Entropi) setelah kata Yunani untuk 'transformasi'. [10] Dia memberikan "konten transformasional" (Verwandlungsinhalt) sebagai sinonim, paralel dengan "konten termal dan ergonal" (Wärme- und Werkinhalt) sebagai nama U , tetapi lebih memilih istilah entropi sebagai paralel dekat dari kata energi, karena ia menemukan konsep hampir "analog dalam signifikansi fisik mereka." [10] Istilah ini dibentuk dengan mengganti akar kata ('kerja') dengan akar ('transformasi'). [9]

Willard Gibbs, Metode Grafis dalam Termodinamika Fluida [11]

Konsep entropi dijelaskan oleh dua pendekatan utama, perspektif makroskopik termodinamika klasik, dan deskripsi mikroskopis pusat mekanika statistik. Pendekatan klasik mendefinisikan entropi dalam hal sifat fisik yang dapat diukur secara makroskopis, seperti massa massal, volume, tekanan, dan suhu. Definisi statistik entropi mendefinisikannya dalam hal statistik gerakan konstituen mikroskopis suatu sistem - dimodelkan pada awalnya secara klasik, mis. Partikel Newton membentuk gas, dan kemudian secara mekanika kuantum (foton, fonon, putaran, dll.). Kedua pendekatan membentuk pandangan yang konsisten dan terpadu dari fenomena yang sama seperti yang diungkapkan dalam hukum kedua termodinamika, yang telah menemukan penerapan universal untuk proses fisik.

Fungsi status Edit

Banyak sifat termodinamika memiliki karakteristik khusus karena mereka membentuk satu set variabel fisik yang menentukan keadaan keseimbangan mereka adalah fungsi keadaan. Seringkali, jika dua properti dari suatu sistem ditentukan, mereka cukup untuk menentukan keadaan sistem dan dengan demikian nilai properti lainnya. Misalnya, kuantitas, suhu, dan tekanan gas tertentu menentukan keadaannya dan dengan demikian juga volumenya. Sebagai contoh lain, sistem yang terdiri dari zat murni satu fase pada suhu dan tekanan seragam tertentu ditentukan (dan dengan demikian merupakan keadaan tertentu) dan tidak hanya pada volume tertentu tetapi juga pada entropi tertentu. [12] Fakta bahwa entropi adalah fungsi keadaan adalah salah satu alasan mengapa entropi berguna. Dalam siklus Carnot, fluida kerja kembali ke keadaan yang sama pada awal siklus, maka integral garis dari fungsi keadaan apa pun, seperti entropi, selama siklus reversibel ini adalah nol.

Proses reversibel Edit

Entropi dilestarikan untuk proses reversibel. Proses reversibel adalah proses yang tidak menyimpang dari kesetimbangan termodinamika, sambil menghasilkan kerja maksimum. Setiap proses yang terjadi cukup cepat untuk menyimpang dari kesetimbangan termal tidak dapat dibalik. Dalam kasus ini energi hilang menjadi panas, entropi total meningkat, dan potensi kerja maksimum yang harus dilakukan dalam transisi juga hilang. Lebih khusus, total entropi dilestarikan dalam proses reversibel dan tidak dilestarikan dalam proses ireversibel. [13] Misalnya, dalam siklus Carnot, sementara aliran panas dari reservoir panas ke reservoir dingin mewakili peningkatan entropi, keluaran kerja, jika disimpan secara reversibel dan sempurna dalam beberapa mekanisme penyimpanan energi, mewakili penurunan entropi yang dapat digunakan untuk mengoperasikan mesin panas secara terbalik dan kembali ke keadaan sebelumnya, sehingga total perubahan entropi masih nol setiap saat jika seluruh proses reversibel. Proses ireversibel meningkatkan entropi. [14]

Siklus Carnot Sunting

Konsep entropi muncul dari studi Rudolf Clausius tentang siklus Carnot. [15] Dalam siklus Carnot, kalor QH diserap secara isotermal pada suhu TH dari reservoir 'panas' dan dilepaskan secara isotermal sebagai panas QC ke reservoir 'dingin' di TC . Menurut prinsip Carnot, kerja hanya dapat dihasilkan oleh sistem jika ada perbedaan suhu, dan pekerjaan harus merupakan fungsi dari perbedaan suhu dan panas yang diserap ( QH ). Carnot tidak membedakan antara QH dan QC , karena dia menggunakan hipotesis yang salah bahwa teori kalori itu valid, dan karenanya panas dilestarikan (asumsi yang salah bahwa QH dan QC sama) padahal sebenarnya QH lebih besar dari QC . [16] [17] Melalui upaya Clausius dan Kelvin, sekarang diketahui bahwa kerja maksimum yang dapat dihasilkan mesin panas adalah produk dari efisiensi Carnot dan panas yang diserap dari reservoir panas:

Untuk menurunkan efisiensi Carnot, yaitu 1 TC/TH (angka kurang dari satu), Kelvin harus mengevaluasi rasio keluaran kerja dengan panas yang diserap selama ekspansi isotermal dengan bantuan persamaan Carnot-Clapeyron, yang berisi fungsi yang tidak diketahui yang disebut fungsi Carnot. Kemungkinan bahwa fungsi Carnot adalah suhu yang diukur dari suhu nol, diusulkan oleh Joule dalam suratnya kepada Kelvin. Ini memungkinkan Kelvin untuk menetapkan skala suhu absolutnya. [18] Diketahui juga bahwa kerja yang dihasilkan oleh sistem adalah perbedaan antara panas yang diserap dari reservoir panas dan panas yang diberikan ke reservoir dingin:

Karena yang terakhir ini berlaku di seluruh siklus, ini memberi Clausius petunjuk bahwa pada setiap tahap siklus, kerja dan panas tidak akan sama, melainkan perbedaannya akan menjadi fungsi keadaan yang akan hilang setelah selesainya siklus. Fungsi keadaan disebut energi internal dan menjadi hukum pertama termodinamika. [19]

Sekarang menyamakan (1) dan (2) memberikan

Ini menyiratkan bahwa ada fungsi keadaan yang kekal selama satu siklus lengkap dari siklus Carnot. Clausius menyebut fungsi keadaan ini entropi. Orang dapat melihat bahwa entropi ditemukan melalui matematika daripada melalui hasil laboratorium. Ini adalah konstruksi matematika dan tidak memiliki analogi fisik yang mudah. Ini membuat konsepnya agak kabur atau abstrak, mirip dengan bagaimana konsep energi muncul.

Clausius kemudian bertanya apa yang akan terjadi jika ada lebih sedikit pekerjaan yang dihasilkan oleh sistem daripada yang diprediksi oleh prinsip Carnot. Ruas kanan persamaan pertama adalah batas atas keluaran kerja sistem, yang sekarang akan diubah menjadi pertidaksamaan

Ketika persamaan kedua digunakan untuk menyatakan usaha sebagai perbedaan kalor, kita peroleh

Jadi lebih banyak panas yang diberikan ke reservoir dingin daripada di siklus Carnot. Jika kita menyatakan entropi dengan SSaya = QSaya/TSaya untuk kedua keadaan, maka pertidaksamaan di atas dapat ditulis sebagai penurunan entropi

Entropi yang keluar dari sistem lebih besar dari entropi yang masuk ke sistem, menyiratkan bahwa beberapa proses ireversibel mencegah siklus menghasilkan jumlah kerja maksimum yang diprediksi oleh persamaan Carnot.

Siklus dan efisiensi Carnot berguna karena mereka menentukan batas atas dari keluaran kerja yang mungkin dan efisiensi sistem termodinamika klasik. Siklus lain, seperti siklus Otto, siklus Diesel dan siklus Brayton, dapat dianalisis dari sudut pandang siklus Carnot. Setiap mesin atau proses yang mengubah panas menjadi kerja dan diklaim menghasilkan efisiensi yang lebih besar dari efisiensi Carnot tidak layak karena melanggar hukum kedua termodinamika. Untuk jumlah partikel yang sangat kecil dalam sistem, termodinamika statistik harus digunakan. Efisiensi perangkat seperti sel fotovoltaik memerlukan analisis dari sudut pandang mekanika kuantum.

Termodinamika klasik Sunting

Definisi termodinamika entropi dikembangkan pada awal tahun 1850-an oleh Rudolf Clausius dan pada dasarnya menjelaskan bagaimana mengukur entropi sistem terisolasi dalam kesetimbangan termodinamika dengan bagian-bagiannya. Clausius menciptakan istilah entropi sebagai variabel termodinamika ekstensif yang terbukti berguna dalam mengkarakterisasi siklus Carnot. Perpindahan panas sepanjang langkah-langkah isoterm dari siklus Carnot ditemukan sebanding dengan suhu suatu sistem (dikenal sebagai suhu absolutnya). Hubungan ini dinyatakan dalam peningkatan entropi yang sama dengan rasio perpindahan panas tambahan dibagi dengan suhu, yang ditemukan bervariasi dalam siklus termodinamika tetapi akhirnya kembali ke nilai yang sama pada akhir setiap siklus. Jadi itu ditemukan sebagai fungsi keadaan, khususnya keadaan termodinamika sistem.

Sementara Clausius mendasarkan definisinya pada proses reversibel, ada juga proses ireversibel yang mengubah entropi. Mengikuti hukum kedua termodinamika, entropi sistem terisolasi selalu meningkat untuk proses ireversibel. Perbedaan antara sistem terisolasi dan sistem tertutup adalah bahwa panas dapat bukan mengalir ke dan dari sistem terisolasi, tetapi aliran panas ke dan dari sistem tertutup dimungkinkan. Namun demikian, untuk sistem tertutup dan terisolasi, dan memang, juga dalam sistem terbuka, proses termodinamika ireversibel dapat terjadi.

Jadi kita dapat mendefinisikan fungsi keadaan S yang disebut entropi, yang memenuhi d S = Q rev T < extstyle dS=>>>> .

Untuk menemukan perbedaan entropi antara dua keadaan sistem, integral harus dievaluasi untuk beberapa jalur reversibel antara keadaan awal dan akhir. [20] Karena entropi adalah fungsi keadaan, perubahan entropi sistem untuk jalur ireversibel sama dengan untuk jalur reversibel antara dua keadaan yang sama. [21] Namun, perubahan entropi lingkungan berbeda.

Kita hanya dapat memperoleh perubahan entropi dengan mengintegrasikan rumus di atas. Untuk mendapatkan nilai mutlak entropi, kita memerlukan hukum ketiga termodinamika, yang menyatakan bahwa S = 0 pada nol mutlak untuk kristal sempurna.

Dari perspektif makroskopik, dalam termodinamika klasik entropi ditafsirkan sebagai fungsi keadaan sistem termodinamika: yaitu, sifat yang hanya bergantung pada keadaan sistem saat ini, tidak tergantung pada bagaimana keadaan itu dicapai. Dalam setiap proses di mana sistem melepaskan energiE, dan entropinya turun sebesarS, paling sedikit TR ΔS energi itu harus diserahkan ke lingkungan sistem sebagai panas yang tidak dapat digunakan (TR adalah suhu lingkungan luar sistem). Jika tidak, proses tidak dapat dilanjutkan. Dalam termodinamika klasik, entropi suatu sistem didefinisikan hanya jika berada dalam kesetimbangan termodinamika.

Mekanika statistik Sunting

Definisi statistik dikembangkan oleh Ludwig Boltzmann pada tahun 1870-an dengan menganalisis perilaku statistik komponen mikroskopis sistem. Boltzmann menunjukkan bahwa definisi entropi ini setara dengan entropi termodinamika dalam faktor konstan—dikenal sebagai konstanta Boltzmann. Singkatnya, definisi termodinamika entropi memberikan definisi eksperimental entropi, sedangkan definisi statistik entropi memperluas konsep, memberikan penjelasan dan pemahaman yang lebih dalam tentang sifatnya.

Interpretasi entropi dalam mekanika statistik adalah ukuran ketidakpastian, atau campur aduk dalam frase Gibbs, yang tetap tentang sistem setelah sifat makroskopik yang dapat diamati, seperti suhu, tekanan dan volume, telah diperhitungkan. Untuk satu set variabel makroskopik tertentu, entropi mengukur sejauh mana probabilitas sistem tersebar di berbagai kemungkinan keadaan mikro.Berbeda dengan keadaan makro, yang mencirikan jumlah rata-rata yang dapat diamati dengan jelas, keadaan mikro menentukan semua detail molekuler tentang sistem termasuk posisi dan kecepatan setiap molekul. Semakin banyak keadaan seperti itu yang tersedia untuk sistem dengan probabilitas yang cukup besar, semakin besar entropi. Dalam mekanika statistik, entropi adalah ukuran jumlah cara suatu sistem dapat diatur, sering dianggap sebagai ukuran "ketidakteraturan" (semakin tinggi entropi, semakin tinggi ketidakteraturan). [22] [23] [24] Definisi ini menggambarkan entropi sebagai sebanding dengan logaritma natural dari jumlah konfigurasi mikroskopis yang mungkin dari atom individu dan molekul sistem (keadaan mikro) yang dapat menyebabkan keadaan makroskopik yang diamati (keadaan makro) dari sistem. Konstanta proporsionalitas adalah konstanta Boltzmann.

Konstanta Boltzmann, dan karenanya entropi, memiliki dimensi energi dibagi suhu, yang memiliki satuan joule per kelvin (J⋅K 1 ) dalam Sistem Satuan Internasional (atau kg⋅m 2 s 2 K 1 dalam hal unit dasar). Entropi suatu zat biasanya diberikan sebagai sifat intensif – baik entropi per satuan massa (satuan SI: J⋅K 1 kg 1) atau entropi per satuan jumlah zat (satuan SI: J⋅K 1 mol 1).

Secara khusus, entropi adalah ukuran logaritmik dari jumlah negara dengan probabilitas yang signifikan untuk ditempati:

di mana kB adalah konstanta Boltzmann, sama dengan 1,380 65 × 10 23 J/K . Penjumlahan mencakup semua keadaan mikro yang mungkin dari sistem, dan PSaya adalah peluang bahwa sistem berada dalam Saya-keadaan mikro. [25] Definisi ini mengasumsikan bahwa himpunan dasar negara bagian telah dipilih sehingga tidak ada informasi tentang fase relatifnya. Dalam himpunan basis yang berbeda, ekspresi yang lebih umum adalah

di mana ^ >> adalah matriks kepadatan, Tr > adalah trace dan log adalah logaritma matriks. Formulasi matriks densitas ini tidak diperlukan dalam kasus kesetimbangan termal selama keadaan dasar dipilih sebagai keadaan eigen energi. Untuk sebagian besar tujuan praktis, ini dapat dianggap sebagai definisi dasar entropi karena semua rumus lain untuk S dapat diturunkan secara matematis darinya, tetapi tidak sebaliknya.

Dalam apa yang disebut asumsi dasar termodinamika statistik atau postulat dasar dalam mekanika statistik, pendudukan keadaan mikro mana pun diasumsikan sama kemungkinannya (mis. PSaya = 1/Ω, di mana adalah jumlah keadaan mikro) asumsi ini biasanya dibenarkan untuk sistem terisolasi dalam kesetimbangan. [26] Kemudian persamaan sebelumnya direduksi menjadi

Dalam termodinamika, sistem seperti itu adalah sistem di mana volume, jumlah molekul, dan energi internal tetap (ansambel mikrokanonik).

Untuk sistem termodinamika tertentu, kelebihan entropi didefinisikan sebagai entropi dikurangi entropi gas ideal pada kerapatan dan suhu yang sama, suatu kuantitas yang selalu negatif karena gas ideal tidak teratur secara maksimal. [27] Konsep ini memainkan peran penting dalam teori keadaan cair. Misalnya, prinsip penskalaan entropi berlebih Rosenfeld [28] [29] menyatakan bahwa koefisien transpor tereduksi di seluruh diagram fase dua dimensi adalah fungsi yang secara unik ditentukan oleh kelebihan entropi. [30] [31]

Interpretasi paling umum dari entropi adalah sebagai ukuran ketidakpastian kita tentang suatu sistem. Keadaan ekuilibrium suatu sistem memaksimalkan entropi karena kita telah kehilangan semua informasi tentang kondisi awal kecuali untuk variabel-variabel yang dilestarikan, memaksimalkan entropi memaksimalkan ketidaktahuan kita tentang detail sistem. [32] Ketidakpastian ini bukan dari jenis subjektif sehari-hari, melainkan ketidakpastian yang melekat pada metode eksperimental dan model interpretatif. [33]

Model interpretatif memiliki peran sentral dalam menentukan entropi. Kualifikasi "untuk satu set variabel makroskopik tertentu" di atas memiliki implikasi yang mendalam: jika dua pengamat menggunakan set variabel makroskopik yang berbeda, mereka melihat entropi yang berbeda. Misalnya, jika pengamat A menggunakan variabel kamu, V dan W, dan pengamat B menggunakan kamu, V, W, x, maka dengan mengubah x, pengamat B dapat menyebabkan efek yang tampak seperti pelanggaran hukum kedua termodinamika bagi pengamat A. Dengan kata lain: himpunan variabel makroskopik yang dipilih harus mencakup segala sesuatu yang mungkin berubah dalam percobaan, jika tidak, entropi yang menurun mungkin akan terlihat. [34]

Entropi dapat didefinisikan untuk setiap proses Markov dengan dinamika reversibel dan properti keseimbangan terperinci.

Pada tahun 1896 Boltzmann Kuliah Teori Gas, ia menunjukkan bahwa ekspresi ini memberikan ukuran entropi untuk sistem atom dan molekul dalam fase gas, sehingga memberikan ukuran untuk entropi termodinamika klasik.

Entropi sistem Sunting

Entropi muncul langsung dari siklus Carnot. Hal ini juga dapat digambarkan sebagai panas reversibel dibagi dengan suhu. Entropi adalah fungsi fundamental dari keadaan.

Dalam sistem termodinamika, tekanan, densitas, dan suhu cenderung menjadi seragam dari waktu ke waktu karena keadaan setimbang memiliki probabilitas yang lebih tinggi (lebih banyak kemungkinan kombinasi keadaan mikro) daripada keadaan lainnya.

Sebagai contoh, untuk segelas air es di udara pada suhu kamar, perbedaan suhu antara ruangan yang hangat (lingkungan) dan segelas es dan air dingin (sistem dan bukan bagian dari ruangan), mulai disamakan sebagai bagian dari energi panas dari lingkungan yang hangat menyebar ke sistem es dan air yang lebih dingin. Seiring waktu suhu gelas dan isinya dan suhu ruangan menjadi sama. Dengan kata lain, entropi ruangan telah berkurang karena sebagian energinya telah tersebar ke es dan air, di mana entropi meningkat.

Namun, seperti yang dihitung dalam contoh, entropi sistem es dan air telah meningkat lebih dari entropi ruangan di sekitarnya yang menurun. Dalam sistem yang terisolasi seperti ruangan dan air es yang disatukan, penyebaran energi dari yang lebih hangat ke yang lebih dingin selalu menghasilkan peningkatan entropi bersih. Jadi, ketika "alam semesta" dari ruangan dan sistem air es telah mencapai kesetimbangan suhu, perubahan entropi dari keadaan awal maksimum. Entropi sistem termodinamika adalah ukuran seberapa jauh pemerataan telah berkembang.

Entropi termodinamika adalah fungsi keadaan tak kekal yang sangat penting dalam ilmu fisika dan kimia. [22] [35] Secara historis, konsep entropi berkembang untuk menjelaskan mengapa beberapa proses (diizinkan oleh hukum kekekalan) terjadi secara spontan sementara pembalikan waktu mereka (juga diizinkan oleh hukum konservasi) tidak sistem cenderung maju ke arah peningkatan entropi. [36] [37] Untuk sistem yang terisolasi, entropi tidak pernah berkurang. [35] Fakta ini memiliki beberapa konsekuensi penting dalam sains: pertama, melarang mesin "gerakan abadi" dan kedua, menyiratkan panah entropi memiliki arah yang sama dengan panah waktu. Peningkatan entropi sesuai dengan perubahan ireversibel dalam suatu sistem, karena beberapa energi dikeluarkan sebagai panas buangan, membatasi jumlah kerja yang dapat dilakukan sistem. [22] [23] [38] [39]

Tidak seperti banyak fungsi keadaan lainnya, entropi tidak dapat diamati secara langsung tetapi harus dihitung. Entropi dapat dihitung untuk suatu zat sebagai entropi molar standar dari nol absolut (juga dikenal sebagai entropi absolut) atau sebagai perbedaan entropi dari beberapa keadaan referensi lain yang didefinisikan sebagai entropi nol. Entropi memiliki dimensi energi dibagi suhu, yang memiliki satuan joule per kelvin (J/K) dalam Sistem Satuan Internasional. Meskipun ini adalah unit yang sama dengan kapasitas panas, kedua konsep ini berbeda. [40] Entropi bukanlah besaran yang kekal: misalnya, dalam sistem terisolasi dengan suhu yang tidak seragam, panas dapat mengalir secara ireversibel dan suhu menjadi lebih seragam sehingga entropi meningkat. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa sistem tertutup memiliki entropi yang dapat meningkat atau tetap konstan. Reaksi kimia menyebabkan perubahan entropi dan entropi memainkan peran penting dalam menentukan ke arah mana reaksi kimia berlangsung secara spontan.

Salah satu definisi kamus entropi adalah bahwa itu adalah "ukuran energi panas per satuan suhu yang tidak tersedia untuk pekerjaan yang berguna". Misalnya, suatu zat pada suhu seragam berada pada entropi maksimum dan tidak dapat menggerakkan mesin kalor. Suatu zat pada suhu yang tidak seragam berada pada entropi yang lebih rendah (daripada jika distribusi panas dibiarkan merata) dan beberapa energi panas dapat menggerakkan mesin panas.

Kasus khusus peningkatan entropi, entropi pencampuran, terjadi ketika dua atau lebih zat yang berbeda dicampur. Jika zat berada pada suhu dan tekanan yang sama, tidak ada pertukaran panas atau kerja bersih – perubahan entropi sepenuhnya disebabkan oleh pencampuran zat yang berbeda. Pada tingkat mekanik statistik, hasil ini disebabkan oleh perubahan volume yang tersedia per partikel dengan pencampuran. [41]

Kesetaraan definisi Sunting

Bukti ekivalensi antara definisi entropi dalam mekanika statistik (rumus entropi Gibbs S = k B i p i log p i < extstyle S=-k_>jumlah _P_log p_> ) dan dalam termodinamika klasik ( d S = Q rev T < extstyle dS=>>>> bersama dengan hubungan termodinamika fundamental) dikenal untuk ansambel mikrokanonik, ansambel kanonik, ansambel kanonik agung, dan ansambel isotermal-isobarik. Bukti ini didasarkan pada kepadatan probabilitas keadaan mikro dari distribusi Boltzmann umum dan identifikasi energi internal termodinamika sebagai rata-rata ansambel U = E i ⟩ kanan angle > . [42] Hubungan termodinamika kemudian digunakan untuk menurunkan rumus entropi Gibbs yang terkenal. Namun, kesetaraan antara rumus entropi Gibbs dan definisi termodinamika entropi bukanlah hubungan termodinamika mendasar melainkan konsekuensi dari bentuk distribusi Boltzmann umum. [43]

Hukum kedua termodinamika mensyaratkan bahwa, secara umum, entropi total sistem apa pun tidak berkurang selain dengan meningkatkan entropi sistem lain. Oleh karena itu, dalam sistem yang terisolasi dari lingkungannya, entropi sistem tersebut cenderung tidak berkurang. Oleh karena itu panas tidak dapat mengalir dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa penerapan kerja ke benda yang lebih dingin. Kedua, tidak mungkin untuk setiap perangkat yang beroperasi pada siklus untuk menghasilkan kerja bersih dari reservoir suhu tunggal. Produksi kerja bersih membutuhkan aliran panas dari reservoir yang lebih panas ke reservoir yang lebih dingin, atau reservoir yang mengembang tunggal yang mengalami pendinginan adiabatik, yang melakukan kerja adiabatik. Akibatnya, tidak ada kemungkinan mesin gerak abadi. Oleh karena itu, pengurangan kenaikan entropi dalam proses tertentu, seperti reaksi kimia, berarti lebih efisien secara energi.

Ini mengikuti dari hukum kedua termodinamika bahwa entropi sistem yang tidak terisolasi dapat berkurang. Sebuah AC, misalnya, dapat mendinginkan udara di sebuah ruangan, sehingga mengurangi entropi udara dari sistem itu. Panas yang dikeluarkan dari ruangan (sistem), yang diangkut dan dibuang oleh AC ke udara luar, selalu memberikan kontribusi yang lebih besar terhadap entropi lingkungan daripada penurunan entropi udara sistem itu. Jadi, total entropi ruangan ditambah entropi lingkungan meningkat, sesuai dengan hukum kedua termodinamika.

Mekanika statistik menunjukkan bahwa entropi diatur oleh probabilitas, sehingga memungkinkan penurunan ketidakteraturan bahkan dalam sistem yang terisolasi. Meskipun ini mungkin, peristiwa seperti itu memiliki kemungkinan kecil untuk terjadi, sehingga tidak mungkin terjadi. [45]

Penerapan hukum kedua termodinamika terbatas pada sistem yang dekat atau dalam keadaan setimbang. [46] Pada saat yang sama, hukum yang mengatur sistem yang jauh dari keseimbangan masih diperdebatkan. Salah satu prinsip panduan untuk sistem tersebut adalah prinsip produksi entropi maksimum. [47] [48] Ia mengklaim bahwa sistem non-ekuilibrium berkembang seperti untuk memaksimalkan produksi entropi. [49] [50]

Hubungan termodinamika fundamental Sunting

Hubungan termodinamika fundamental menyiratkan banyak identitas termodinamika yang berlaku secara umum, tidak tergantung pada detail mikroskopis sistem. Contoh penting adalah hubungan Maxwell dan hubungan antara kapasitas panas.

Entropi dalam termodinamika kimia Sunting

Entropi termodinamika adalah pusat dalam termodinamika kimia, memungkinkan perubahan dikuantifikasi dan hasil reaksi diprediksi. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi dalam sistem yang terisolasi - kombinasi dari subsistem yang dipelajari dan sekitarnya - meningkat selama semua proses kimia dan fisika spontan. Persamaan Clausius dari q rev / T = S >/T=Delta S> memperkenalkan pengukuran perubahan entropi, S . Perubahan entropi menggambarkan arah dan mengkuantifikasi besarnya perubahan sederhana seperti perpindahan panas antar sistem – selalu dari yang lebih panas ke yang lebih dingin secara spontan.

Oleh karena itu entropi termodinamika memiliki dimensi energi dibagi dengan suhu, dan satuan joule per kelvin (J/K) dalam Sistem Satuan Internasional (SI).

Entropi termodinamika adalah properti ekstensif, yang berarti skalanya sesuai dengan ukuran atau luasnya suatu sistem. Dalam banyak proses, sangat berguna untuk menentukan entropi sebagai sifat intensif yang tidak bergantung pada ukuran, sebagai karakteristik entropi spesifik dari jenis sistem yang dipelajari. Entropi spesifik dapat dinyatakan relatif terhadap satuan massa, biasanya kilogram (satuan: J⋅kg 1 K 1 ). Atau, dalam kimia, itu juga disebut satu mol zat, dalam hal ini disebut entropi molar dengan satuan J⋅mol 1 K 1 .

Jadi, ketika satu mol zat pada sekitar 0 K dihangatkan oleh lingkungannya menjadi 298 K , jumlah dari nilai tambahan q rev / T < extstyle q_< ext>/T> merupakan entropi molar standar setiap unsur atau senyawa, indikator jumlah energi yang disimpan oleh suatu zat pada 298 K . [51] [52] Perubahan entropi juga mengukur pencampuran zat sebagai penjumlahan dari jumlah relatif mereka dalam campuran akhir. [53]

Kapasitas teknologi dunia untuk menyimpan dan mengkomunikasikan informasi entropis Edit

Sebuah studi 2011 di Science (jurnal) memperkirakan kapasitas teknologi dunia untuk menyimpan dan mengomunikasikan informasi terkompresi secara optimal yang dinormalisasi pada algoritma kompresi paling efektif yang tersedia pada tahun 2007, oleh karena itu memperkirakan entropi sumber yang tersedia secara teknologi. [54] Perkiraan penulis bahwa kapasitas teknologi umat manusia untuk menyimpan informasi tumbuh dari 2,6 (dikompresi secara entropis) exabytes pada tahun 1986 menjadi 295 (dikompresi secara entropis) exabytes pada tahun 2007. Kapasitas teknologi dunia untuk menerima informasi melalui jaringan siaran satu arah adalah 432 exabytes dari informasi (dikompresi secara entropis) pada tahun 1986, menjadi 1,9 zettabytes pada tahun 2007. Kapasitas efektif dunia untuk bertukar informasi melalui jaringan telekomunikasi dua arah adalah 281 petabyte informasi (dikompresi secara entropis) pada tahun 1986, menjadi 65 (dikompresi secara entropis) exabytes pada tahun 2007. [54]

Persamaan keseimbangan entropi untuk sistem terbuka Sunting

Dalam teknik kimia, prinsip-prinsip termodinamika umumnya diterapkan pada "sistem terbuka", yaitu di mana panas, kerja, dan massa mengalir melintasi batas sistem. Aliran kedua kalor ( Q >> ) dan work, yaitu W S >_< eks>> (kerja poros) dan P ( d V / d t ) (kerja tekanan-volume), melintasi batas sistem, pada umumnya menyebabkan perubahan entropi sistem. Transfer sebagai panas memerlukan transfer entropi Q / T >/T> , di mana T adalah suhu termodinamika absolut sistem pada titik aliran panas. Jika ada aliran massa melintasi batas sistem, mereka juga mempengaruhi total entropi sistem. Akun ini, dalam hal panas dan kerja, hanya berlaku untuk kasus di mana kerja dan perpindahan panas melalui jalur yang secara fisik berbeda dari jalur masuk dan keluar materi dari sistem. [55] [56]

Untuk transformasi sederhana tertentu dalam sistem komposisi konstan, perubahan entropi diberikan oleh rumus sederhana. [58]

Ekspansi atau kompresi isotermal dari gas ideal Sunting

Di sini n adalah jumlah mol gas dan R adalah konstanta gas ideal. Persamaan ini juga berlaku untuk ekspansi ke ruang hampa terbatas atau proses pelambatan, di mana suhu, energi internal, dan entalpi untuk gas ideal tetap konstan.

Pendinginan dan pemanasan Sunting

Untuk pemanasan atau pendinginan sistem apapun (gas, cair atau padat) pada tekanan konstan dari suhu awal T 0 > ke suhu akhir T , perubahan entropi adalah

asalkan kapasitas panas molar tekanan konstan (atau panas spesifik) CP konstan dan tidak ada transisi fase yang terjadi dalam interval suhu ini.

Demikian pula pada volume konstan, perubahan entropi adalah

di mana kapasitas panas molar volume konstan Cv konstan dan tidak ada perubahan fasa.

Pada suhu rendah mendekati nol mutlak, kapasitas panas padatan dengan cepat turun mendekati nol, sehingga asumsi kapasitas panas konstan tidak berlaku. [59]

Karena entropi adalah fungsi keadaan, perubahan entropi dari setiap proses di mana suhu dan volume keduanya bervariasi adalah sama seperti untuk jalur yang dibagi menjadi dua langkah – pemanasan pada volume konstan dan ekspansi pada suhu konstan. Untuk gas ideal, perubahan entropi total adalah [60]

Demikian pula jika suhu dan tekanan gas ideal keduanya bervariasi,

Transisi fase Sunting

Transisi fase reversibel terjadi pada suhu dan tekanan konstan. Panas reversibel adalah perubahan entalpi transisi, dan perubahan entropi adalah perubahan entalpi dibagi suhu termodinamika. [61] Untuk peleburan (peleburan) zat padat menjadi zat cair pada titik leleh TM, entropi fusi adalah

Demikian pula, untuk penguapan cairan menjadi gas pada titik didih TB, entropi penguapan adalah

Sebagai aspek fundamental dari termodinamika dan fisika, beberapa pendekatan yang berbeda untuk entropi di luar Clausius dan Boltzmann adalah valid.

Definisi buku teks standar Sunting

Berikut ini adalah daftar definisi tambahan entropi dari kumpulan buku teks:

  • ukuran penyebaran energi pada suhu tertentu.
  • ukuran ketidakteraturan di alam semesta atau ketersediaan energi dalam suatu sistem untuk melakukan kerja. [62]
  • ukuran energi panas sistem per satuan suhu yang tidak tersedia untuk melakukan pekerjaan yang berguna. [63]

Dalam definisi Boltzmann, entropi adalah ukuran jumlah kemungkinan keadaan mikroskopis (atau keadaan mikro) dari suatu sistem dalam kesetimbangan termodinamika. Konsisten dengan definisi Boltzmann, hukum kedua termodinamika perlu ditulis ulang sedemikian rupa sehingga entropi meningkat seiring waktu, meskipun prinsip dasarnya tetap sama.

Tatanan dan ketidakteraturan Sunting

Entropi sering dikaitkan secara longgar dengan jumlah keteraturan atau ketidakteraturan, atau kekacauan, dalam sistem termodinamika. Deskripsi kualitatif tradisional entropi adalah bahwa ia mengacu pada perubahan status quo sistem dan merupakan ukuran "ketidakteraturan molekuler" dan jumlah energi yang terbuang dalam transformasi energi dinamis dari satu keadaan atau bentuk ke keadaan lain. Dalam arah ini, beberapa penulis baru-baru ini telah menurunkan rumus entropi yang tepat untuk menjelaskan dan mengukur ketidakteraturan dan keteraturan dalam rakitan atom dan molekul. [64] [65] [66] Salah satu rumus urutan/ketidakteraturan entropi yang lebih sederhana adalah yang diturunkan pada tahun 1984 oleh fisikawan termodinamika Peter Landsberg, berdasarkan kombinasi argumen termodinamika dan teori informasi. Dia berpendapat bahwa ketika kendala beroperasi pada suatu sistem, sehingga dicegah memasuki satu atau lebih dari keadaan yang mungkin atau yang diizinkan, sebagai kontras dengan keadaan terlarangnya, ukuran jumlah total "gangguan" dalam sistem diberikan oleh : [65] [66]

Demikian pula, jumlah total "pesanan" dalam sistem diberikan oleh:

Di mana CD adalah kapasitas "gangguan" sistem, yang merupakan entropi bagian-bagian yang terkandung dalam ansambel yang diizinkan, CSaya adalah kapasitas "informasi" dari sistem, ekspresi yang mirip dengan kapasitas saluran Shannon, dan CHAI adalah kapasitas "urutan" sistem. [64]

Penyebaran energi Sunting

Konsep entropi dapat digambarkan secara kualitatif sebagai ukuran penyebaran energi pada suhu tertentu. [67] Istilah serupa telah digunakan sejak awal sejarah termodinamika klasik, dan dengan perkembangan termodinamika statistik dan teori kuantum, perubahan entropi telah dijelaskan dalam hal pencampuran atau "penyebaran" energi total setiap konstituen dari suatu sistem di atas tingkat energi terkuantisasi tertentu.

Ambiguitas dalam istilah kekacauan dan kekacauan, yang biasanya memiliki arti yang secara langsung bertentangan dengan keseimbangan, berkontribusi pada kebingungan yang meluas dan menghambat pemahaman entropi bagi sebagian besar siswa. [68] Seperti yang ditunjukkan oleh hukum kedua termodinamika, dalam sistem yang terisolasi bagian internal pada suhu yang berbeda cenderung menyesuaikan diri dengan suhu seragam tunggal dan dengan demikian menghasilkan keseimbangan. Pendekatan pendidikan yang dikembangkan baru-baru ini menghindari istilah yang ambigu dan menggambarkan penyebaran energi seperti penyebaran, yang menyebabkan hilangnya perbedaan yang diperlukan untuk kerja meskipun energi total tetap konstan sesuai dengan hukum pertama termodinamika [69] (bandingkan diskusi dalam bagian berikutnya). Ahli kimia fisik Peter Atkins, dalam bukunya Kimia Fisika, memperkenalkan entropi dengan pernyataan bahwa "perubahan spontan selalu disertai dengan penyebaran energi". [70]

Menghubungkan entropi dengan energi kegunaan Sunting

Mengikuti dari atas, adalah mungkin (dalam konteks termal) untuk menganggap entropi yang lebih rendah sebagai indikator atau ukuran dari efektivitas atau kegunaan dari sejumlah energi tertentu. [71] Ini karena energi yang disuplai pada suhu yang lebih tinggi (yaitu dengan entropi rendah) cenderung lebih berguna daripada jumlah energi yang sama yang tersedia pada suhu yang lebih rendah. Pencampuran sebidang cairan panas dengan yang dingin menghasilkan sebidang suhu menengah, di mana peningkatan keseluruhan entropi mewakili "kerugian" yang tidak pernah dapat diganti.

Jadi, fakta bahwa entropi alam semesta terus meningkat, berarti energi totalnya menjadi kurang berguna: akhirnya, ini mengarah pada "kematian panas alam semesta". [72]

Entropi dan aksesibilitas adiabatik Sunting

Entropi dalam mekanika kuantum Sunting

Dalam mekanika statistik kuantum, konsep entropi dikembangkan oleh John von Neumann dan umumnya disebut sebagai "entropi von Neumann",

di mana ρ adalah matriks kepadatan dan Tr adalah operator jejak.

Ini mendukung prinsip korespondensi, karena dalam limit klasik, ketika fase antara keadaan dasar yang digunakan untuk probabilitas klasik adalah acak murni, ekspresi ini setara dengan definisi klasik entropi yang sudah dikenal,

yaitu dalam dasar seperti itu matriks kepadatan adalah diagonal.

Von Neumann menetapkan kerangka matematika yang ketat untuk mekanika kuantum dengan karyanya Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Dia memberikan dalam karya ini teori pengukuran, di mana gagasan biasa tentang fungsi gelombang runtuh digambarkan sebagai proses yang tidak dapat diubah (yang disebut von Neumann atau pengukuran proyektif). Dengan menggunakan konsep ini, dalam hubungannya dengan matriks densitas, ia memperluas konsep klasik entropi ke dalam domain kuantum.

Teori informasi Sunting

Percakapan antara Claude Shannon dan John von Neumann mengenai nama apa yang harus diberikan untuk redaman pada sinyal saluran telepon [76]

Jika dilihat dari segi teori informasi, fungsi keadaan entropi adalah jumlah informasi dalam sistem yang diperlukan untuk sepenuhnya menentukan keadaan mikro sistem. Entropi adalah ukuran jumlah informasi yang hilang sebelum penerimaan. [77] Sering disebut Entropi Shannon, awalnya dirancang oleh Claude Shannon pada tahun 1948 untuk mempelajari ukuran informasi dari pesan yang ditransmisikan. Definisi entropi informasi dinyatakan dalam himpunan probabilitas diskrit p i > sehingga

Dalam kasus pesan yang ditransmisikan, probabilitas ini adalah probabilitas bahwa pesan tertentu benar-benar ditransmisikan, dan entropi sistem pesan adalah ukuran rata-rata ukuran informasi dari sebuah pesan. Untuk kasus probabilitas yang sama (yaitu setiap pesan memiliki kemungkinan yang sama), entropi Shannon (dalam bit) hanyalah jumlah pertanyaan biner yang diperlukan untuk menentukan isi pesan. [25]

Kebanyakan peneliti menganggap entropi informasi dan entropi termodinamika terkait langsung dengan konsep yang sama, [78] [79] [80] [81] [82] sementara yang lain berpendapat bahwa keduanya berbeda. [83] Kedua ekspresi secara matematis serupa. Jika W adalah jumlah keadaan mikro yang dapat menghasilkan keadaan makro tertentu, dan setiap keadaan mikro memiliki sebuah prioritas probabilitas, maka probabilitas tersebut adalah 1 = p = 1 / W . Entropi Shannon (dalam nats) adalah:

Pengukuran Sunting

Entropi suatu zat dapat diukur, meskipun secara tidak langsung. Pengukuran, yang dikenal sebagai entropimetri, [85] dilakukan pada sistem tertutup (dengan nomor partikel N dan volume V adalah konstanta) dan menggunakan definisi suhu [86] dalam hal entropi, sambil membatasi pertukaran energi menjadi panas ( d U → d Q ).

Proses pengukuran berjalan sebagai berikut. Pertama, sampel zat didinginkan sedekat mungkin dengan nol mutlak. Pada suhu seperti itu, entropi mendekati nol - karena definisi suhu. Kemudian, sejumlah kecil panas dimasukkan ke dalam sampel dan perubahan suhu dicatat, sampai suhu mencapai nilai yang diinginkan (biasanya 25 °C). Data yang diperoleh memungkinkan pengguna untuk mengintegrasikan persamaan di atas, menghasilkan nilai mutlak entropi zat pada suhu akhir. Nilai entropi ini disebut entropi kalorimetrik. [87]

Meskipun konsep entropi pada awalnya merupakan konsep termodinamika, namun telah diadaptasi dalam bidang studi lain, termasuk teori informasi, psikodinamika, ekonomi termoekonomi/ekologi, dan evolusi. [64] [88] [89] [90] [91] Misalnya, argumen entropis telah diajukan untuk menjelaskan preferensi laba-laba gua dalam memilih area yang cocok untuk bertelur. [92] Dengan perluasan bidang/sistem yang menerapkan hukum kedua termodinamika ini, arti kata entropi juga telah berkembang dan didasarkan pada energi penggerak untuk sistem itu. [93] Konsep ini membagi sistem menjadi tiga kategori, alami, hibrida, dan buatan manusia, berdasarkan jumlah kendali yang dimiliki manusia dalam memperlambat laju entropi tanpa henti dan skala waktu setiap kategori untuk mencapai entropi maksimum.

Daftar mata pelajaran entropi dalam termodinamika dan mekanika statistik Sunting

  • Unit entropi – non-S.I. unit entropi termodinamika, biasanya dilambangkan "e.u." dan sama dengan satu kalori per kelvin per mol, atau 4,184 joule per kelvin per mol. [94] - entropi mekanik statistik biasa dari sistem termodinamika. – sejenis entropi Gibbs, yang mengabaikan korelasi statistik internal dalam distribusi partikel secara keseluruhan. – generalisasi dari entropi Boltzmann–Gibbs standar. - adalah kandungan entropi satu mol zat, pada kondisi suhu dan tekanan standar. - entropi yang ada setelah suatu zat didinginkan secara sewenang-wenang mendekati nol mutlak. - perubahan entropi ketika dua zat atau komponen kimia yang berbeda dicampur. - adalah entropi yang hilang saat menyatukan dua residu polimer dalam jarak yang ditentukan. - adalah entropi yang terkait dengan susunan fisik rantai polimer yang mengasumsikan keadaan padat atau bulat dalam larutan. – gaya mikroskopis atau kecenderungan reaksi yang terkait dengan perubahan organisasi sistem, pertimbangan gesekan molekuler, dan variasi statistik. – potensial termodinamika entropis yang dianalogikan dengan energi bebas. - ledakan di mana reaktan mengalami perubahan volume yang besar tanpa melepaskan sejumlah besar panas.
  • Perubahan entropi – perubahan entropi dS antara dua keadaan setimbang diberikan oleh panas yang ditransfer dQputaran dibagi dengan suhu mutlakT sistem dalam interval ini. – entropi gas ideal klasik monoatomik ditentukan melalui pertimbangan kuantum.

Panah waktu Sunting

Entropi adalah satu-satunya kuantitas dalam ilmu fisika yang tampaknya menyiratkan arah kemajuan tertentu, kadang-kadang disebut panah waktu. Seiring berjalannya waktu, hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi sistem yang terisolasi tidak pernah berkurang dalam sistem besar selama periode waktu yang signifikan. Oleh karena itu, dari perspektif ini, pengukuran entropi dianggap sebagai jam dalam kondisi ini.

Entropi sekuens DNA Sunting

Entropi telah terbukti berguna dalam analisis urutan DNA. Banyak ukuran berbasis entropi telah ditunjukkan untuk membedakan antara daerah struktural yang berbeda dari genom, membedakan antara daerah pengkodean dan non-pengkodean DNA dan juga dapat diterapkan untuk rekreasi pohon evolusi dengan menentukan jarak evolusi antara spesies yang berbeda. [95]

Kosmologi Sunting

Dengan asumsi bahwa alam semesta terbatas adalah sistem yang terisolasi, hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi totalnya terus meningkat. Telah berspekulasi, sejak abad ke-19, bahwa alam semesta ditakdirkan untuk mati karena panas di mana semua energi berakhir sebagai distribusi energi panas yang homogen sehingga tidak ada lagi pekerjaan yang dapat diekstraksi dari sumber mana pun.

Jika alam semesta dapat dianggap memiliki entropi yang secara umum meningkat, maka – seperti yang telah ditunjukkan Roger Penrose – gravitasi memainkan peran penting dalam peningkatan tersebut karena gravitasi menyebabkan materi yang tersebar terakumulasi menjadi bintang, yang akhirnya runtuh menjadi lubang hitam. Entropi lubang hitam sebanding dengan luas permukaan horizon peristiwa lubang hitam. [96] [97] [98] Jacob Bekenstein dan Stephen Hawking telah menunjukkan bahwa lubang hitam memiliki entropi maksimum yang mungkin dari setiap objek dengan ukuran yang sama. Hal ini membuat mereka kemungkinan titik akhir dari semua proses peningkatan entropi, jika mereka benar-benar perangkap materi dan energi yang efektif. [99] Namun, pelepasan energi dari lubang hitam dimungkinkan karena aktivitas kuantum (lihat radiasi Hawking).

Peran entropi dalam kosmologi tetap menjadi subjek kontroversial sejak zaman Ludwig Boltzmann. Karya terbaru telah menimbulkan keraguan pada hipotesis kematian panas dan penerapan model termodinamika sederhana untuk alam semesta secara umum. Meskipun entropi memang meningkat dalam model alam semesta yang mengembang, entropi maksimum yang mungkin meningkat jauh lebih cepat, menggerakkan alam semesta lebih jauh dari kematian panas seiring waktu, bukan lebih dekat. [100] [101] [102] Ini menghasilkan "celah entropi" yang mendorong sistem lebih jauh dari keseimbangan kematian panas yang dikemukakan. [103] Faktor rumit lainnya, seperti densitas energi vakum dan efek kuantum makroskopik, sulit untuk disesuaikan dengan model termodinamika, membuat prediksi termodinamika skala besar menjadi sangat sulit. [104]

Teori saat ini menyarankan celah entropi pada awalnya dibuka oleh ekspansi eksponensial awal alam semesta yang cepat. [105]

Ekonomi Edit

Ekonom Rumania-Amerika Nicholas Georgescu-Roegen, seorang nenek moyang di bidang ekonomi dan pendiri paradigma ekonomi ekologi, memanfaatkan secara ekstensif konsep entropi dalam magnum opusnya pada Hukum Entropi dan Proses Ekonomi. [79] Karena karya Georgescu-Roegen, hukum termodinamika sekarang membentuk bagian integral dari sekolah ekonomi ekologi. [106] : 204f [107] : 29–35 Meskipun karyanya agak tercela karena kesalahan, satu bab penuh tentang ekonomi Georgescu-Roegen telah disetujui untuk dimasukkan dalam satu buku teks fisika dasar tentang perkembangan sejarah termodinamika. [108] : 95-112

Di bidang ekonomi, karya Georgescu-Roegen telah melahirkan istilah 'pesimisme entropi'. [109] : 116 Sejak 1990-an, ekonom ekologi terkemuka dan ahli teori kondisi mapan Herman Daly – seorang mahasiswa Georgescu-Roegen – telah menjadi pendukung paling berpengaruh profesi ekonomi dari posisi pesimisme entropi. [110] : 545f [111]

Hermeneutika Sunting

Dalam Hermeneutika, Arianna Béatrice Fabbricatore telah menggunakan istilah entropi, mengandalkan karya-karya Umberto Eco, [112] untuk mengidentifikasi dan menilai hilangnya makna antara deskripsi verbal tari dan koreoteks (sutra bergerak yang dilakukan penari dalam memerankan penulisan koreografi) [113] yang dihasilkan oleh operasi penerjemahan antar-semiotik. [114] [115]


Referensi

Toulme, F. dkk. Protein GreA dan GreB menghidupkan kembali RNA polimerase in vivo dengan mempromosikan pemangkasan transkrip. EMBO J. 19, 6853–6859 (2000).

Mosrin-Huaman, C., Turnbough, C. L. Jr & amp Rahmouni, A. R. Translokasi dari Escherichia coli RNA polimerase melawan penghalang jalan protein in vivo menyoroti mekanisme geser pasif untuk perpanjangan transkrip. Mol Mikrobiol. 51, 1471–1481 (2004).

Bar-Nahum, G. & Nudler, E. Isolasi dan karakterisasi kompleks elongasi transkripsi penahan 70 dari Escherichia coli. Sel 106, 443–451 (2001).

Mukhopadhyay, J. et al. Translokasi 70 dengan RNA polimerase selama transkripsi: uji transfer energi resonansi fluoresensi untuk pergerakan relatif terhadap DNA. Sel 106, 453–463 (2001).

von Hippel, P. H. Helicases menjadi lebih sederhana secara mekanis dan secara fungsional lebih kompleks. Struktur Alam. Mol Biol. 11, 494–496 (2004).

von Hippel, P. H. & Delagoutte, E. Model umum untuk helikase asam nukleat dan 'penggabungannya' dalam mesin makromolekul. Sel 104, 177–190 (2001).

Delagoutte, E. & von Hippel, P. H. Mekanisme helikase dan kopling helikase dalam mesin makromolekul. Bagian II: integrasi helikase ke dalam proses seluler. Q. Pdt. Biophys. 36, 1–69 (2003).

Zaychikov, E., Denissova, L. & Heumann, H. Translokasi dari Escherichia coli kompleks transkripsi diamati dalam register 11 sampai 20: 'melompat' RNA polimerase dan ekspansi asimetris dan kontraksi 'gelembung transkripsi'. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 92, 1739–1743 (1995).

Nudler, E., Avetissova, E., Markovtsov, V. & Goldfarb, A. Proses transkripsi: interaksi protein-DNA yang menyatukan kompleks elongasi. Sains 273, 211–217 (1996).

Nudler, E., Gusarov, I., Avetissova, E., Kozlov, M. & Goldfarb, A. Organisasi spasial kompleks elongasi transkripsi di Escherichia coli. Sains 281, 424–428 (1998).

Korzheva, N. dkk. Model struktural pemanjangan transkripsi. Sains 289, 619–625 (2000).

Nudler, E., Mustaev, A., Lukhtanov, E. & Goldfarb, A. Hibrida RNA-DNA mempertahankan daftar transkripsi dengan mencegah mundurnya RNA polimerase. Sel 89, 33–41 (1997).

Sidorenkov, I., Komissarova, N. & Kashlev, M. Peran penting hibrida RNA:DNA dalam proses transkripsi. Mol Sel 2, 55–64 (1998).

Monforte, J. A., Kahn, J. D. & Hearst, J. E. RNA lipat selama transkripsi oleh Escherichia coli RNA polimerase dianalisis dengan pembelahan diri RNA. Biokimia 29, 7882–7890 (1990).

Reeder, T. C. & amp Hawley, D. K. Urutan proksimal promotor memodulasi pemanjangan RNA polimerase II dengan mekanisme baru. Sel 87, 767–777 (1996).

Komissarova, N. & Kashlev, M. Penangkapan transkripsi: Escherichia coli RNA polimerase mentranslokasi mundur, meninggalkan ujung 3' RNA utuh dan diekstrusi. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 94, 1755–1760 (1997).

Komissarova, N. & amp Kashlev, M. Topografi fungsional RNA yang baru lahir dalam zat antara perpanjangan RNA polimerase. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 95, 14699–14704 (1998).

Yager, T. D. & amp von Hippel, P. H. Analisis termodinamika pemanjangan dan terminasi transkrip RNA di Escherichia coli. Biokimia 30, 1097–1118 (1991). Menyajikan analisis termodinamika pembentukan kompleks transkripsi.

Pasman, Z. & von Hippel, P.H. Aktif Escherichia coli kompleks elongasi transkripsi secara fungsional homogen. J. Mol. Biol. 322, 505–519 (2002).

Zhang, G. dkk. Struktur kristal dari termus akuatikus inti RNA polimerase pada resolusi 3,3 . Sel 98, 811–824 (1999).

Ebright, R. H. RNA polimerase: kesamaan struktural antara RNA polimerase bakteri dan RNA polimerase II eukariotik. J. Mol. Biol. 304, 687–698 (2000).

Markov, D., Naryshkina, T., Mustaev, A. & Severinov, K. Sebuah situs pengikatan seng di subunit terbesar DNA-dependent RNA polimerase terlibat dalam perakitan enzim. Pengembang Gen. 13, 2439–2448 (1999).

Vassylyev, D.G. dkk. Struktur kristal holoenzim RNA polimerase bakteri pada resolusi 2,6 . Alam 417, 712–719 (2002).

King, RA, Markov, D., Sen, R., Severinov, K. & Weisberg, RA Domain pengikat seng yang dilestarikan dalam subunit terbesar dari DNA-dependent RNA polimerase memodulasi terminasi transkripsi intrinsik dan antiterminasi tetapi tidak menstabilkan kompleks elongasi . J. Mol. Biol. 342, 1143–1154 (2004).

Gnatt, A. L., Cramer, P., Fu, J., Bushnell, D. A. & Kornberg, R. D. Dasar struktural transkripsi: kompleks pemanjangan RNA polimerase II pada resolusi 3,3 . Sains 292, 1876–1882 (2001). Menjelaskan struktur RNA polimerase yang memanjang termasuk gelembung transkripsi, hibrid RNA-DNA dan situs aktif RNA-polimerase.

Epshtein, V. dkk. Model gerbang ayun masuknya nukleotida ke pusat aktif RNA polimerase. Mol Sel 10, 623–634 (2002).

Westover, K. D., Bushnell, D. A. & Kornberg, R. D. Dasar struktural transkripsi: pemisahan RNA dari DNA oleh RNA polimerase II. Sains 303, 1014–1016 (2004).

Cramer, P. et al. Arsitektur RNA polimerase II dan implikasinya terhadap mekanisme transkripsi. Sains 288, 640–649 (2000).

Opalka, N.et al. Struktur dan fungsi faktor pemanjangan transkripsi GreB terikat pada RNA polimerase bakteri. Sel 114, 335–345 (2003). Demonstrasi struktural pengikatan GreB ke RNA polimerase dan mekanisme pembelahan rantai RNA selama pengeditan.

Cramer, P., Bushnell, D. A. & Kornberg, R. D. Dasar struktural transkripsi: RNA polimerase II pada resolusi 2,8 angstrom. Sains 292, 1863–1876 (2001).

Sosunov, V. dkk. Mekanisme dua logam terpadu dari sintesis dan degradasi RNA oleh RNA polimerase. EMBO J. 22, 2234–2244 (2003). Memberikan bukti untuk mendukung situs aktif dua-logam-ion di RNA polimerase.

Kuznedelov, K., Korzheva, N., Mustaev, A. & Severinov, K. Analisis berbasis struktur fungsi RNA polimerase: kemudi subunit terbesar berkontribusi kritis terhadap stabilitas kompleks perpanjangan dan tidak terlibat dalam pemeliharaan hibrida RNA-DNA panjang. EMBO J. 21, 1369–1378 (2002).

Toulokhonov, I. & Landick, R. Domain flap diperlukan untuk menjeda penghambatan jepit rambut RNA dari katalisis oleh RNA polimerase dan dapat memodulasi penghentian intrinsik. Mol Sel 12, 1125–1136 (2003).

von Hippel, P. H. & Delagoutte, E. Kompleks makromolekul yang melepaskan asam nukleat. Bioesai 25, 1168–1177 (2003).

Erie, D. A., Yager, T. D. & von Hippel, P. H. Siklus adisi nukleotida tunggal dalam transkripsi: perspektif biofisika dan biokimia. annu. Pdt. Biophys. Biomol. Struktur. 21, 379–415 (1992). Memberikan detail mekanistik dari siklus adisi dan -eksi nukleotida tunggal.

Hopfield, J. J. Kinetic proofreading: mekanisme baru untuk mengurangi kesalahan dalam proses biosintetik yang membutuhkan spesifisitas tinggi. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 71, 4135–4139 (1974).

Komissarova, N. & Kashlev, M. RNA polimerase beralih antara keadaan tidak aktif dan diaktifkan dengan mentranslokasi bolak-balik sepanjang DNA dan RNA. J.Biol. Kimia 272, 15329–15338 (1997).

Efek konsentrasi Guajardo, R., Lopez, P., Dreyfus, M. & Sousa, R. NTP pada transkripsi awal oleh T7 RNAP menunjukkan bahwa translokasi terjadi melalui geseran pasif dan mengungkapkan bahwa promotor yang berbeda memiliki persyaratan konsentrasi NTP yang berbeda untuk inisiasi produktif. J. Mol. Biol. 281, 777–792 (1998).

Bai, L., Shundrovsky, A. & Wang, M. D. Model kinetik yang bergantung pada urutan untuk perpanjangan transkripsi oleh RNA polimerase. J. Mol. Biol. 344, 335–349 (2004).

Erie, D. A., Hajiseyedjavadi, O., Young, M. C. & amp von Hippel, P. H. Beberapa RNA polimerase konformasi dan GreA: kontrol kesetiaan transkripsi. Sains 262, 867–873 (1993).

Thomas, M. J., Platas, A. A. & Hawley, D. K. Kesetiaan transkripsional dan proofreading oleh RNA polimerase II. Sel 93, 627–637 (1998).

Borukhov, S., Polyakov, A., Nikiforov, V. & Goldfarb, A. GreA protein: faktor perpanjangan transkripsi dari Escherichia coli. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 89, 8899–8902 (1992).

Borukhov, S., Sagitov, V. & Goldfarb, A. Faktor pembelahan transkrip dari E. coli. Sel 72, 459–466 (1993).

Orlova, M., Newlands, J., Das, A., Goldfarb, A. & amp Borukhov, S. aktivitas pembelahan transkrip intrinsik RNA polimerase. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 92, 4596–4600 (1995).

Laptenko, O., Lee, J., Lomakin, I. & amp Borukhov, S. Transkrip faktor pembelahan GreA dan GreB bertindak sebagai komponen katalitik sementara RNA polimerase. EMBO J. 22, 6322–6334 (2003).

Sosunova, E. dkk. Donasi residu katalitik ke pusat aktif RNA polimerase oleh faktor transkripsi Gre. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 100, 15469–15474 (2003).

Neuman, K. C., Abbondanzieri, E. A., Landick, R., Gelles, J. & Block, S. M. Jeda transkripsi di mana-mana tidak tergantung pada RNA polimerase mundur. Sel 115, 437–447 (2003). Membahas peran jeda dalam regulasi transkripsi.

Shaevitz, J. W., Abbondanzieri, E. A., Landick, R. & Block, S. M. Backtracking oleh molekul RNA polimerase tunggal yang diamati pada resolusi pasangan basa-dekat. Alam 426, 684–687 (2003).

Artsimovitch, I. & Landick, R. Jeda oleh RNA polimerase bakteri dimediasi oleh kelas sinyal yang berbeda secara mekanis. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 97, 7090–7095 (2000).

Martin, F. H. & Tinoco, I. Jr. dupleks hibrida DNA-RNA yang mengandung urutan oligo(dA:rU) sangat tidak stabil dan dapat memfasilitasi penghentian transkripsi. Asam Nukleat Res. 8, 2295–2299 (1980).

Wilson, K. S. & amp von Hippel, P. H. Stabilitas Escherichia coli kompleks transkripsi di dekat terminator intrinsik. J. Mol. Biol. 244, 36–51 (1994).

Toulokhonov, I., Artsimovitch, I. & Landick, R. Kontrol alosterik RNA polimerase oleh situs yang menghubungi jepit rambut RNA yang baru lahir. Sains 292, 730–733 (2001).

Gusarov, I. & Nudler, E. Mekanisme penghentian transkripsi intrinsik. Mol Sel 3, 495–504 (1999).

Komissarova, N., Becker, J., Solter, S., Kireeva, M. & Kashlev, M. Pemendekan RNA:DNA hibrid dalam kompleks pemanjangan RNA polimerase merupakan prasyarat untuk terminasi transkripsi. Mol Sel 10, 1151–1162 (2002).

Yarnell, W. S. & Roberts, J. W. Mekanisme penghentian transkripsi intrinsik dan antiterminasi. Sains 284, 611–615 (1999).

Ryder, A. M. & Roberts, J. W. Peran untai non-templat dari gelembung pemanjangan dalam penghentian transkripsi intrinsik. J. Mol. Biol. 334, 205–213 (2003).

Santangelo, T. J., Mooney, R. A., Landick, R. & Roberts, mutasi J. W. RNA polimerase yang mengganggu konversi ke kompleks tahan terminasi oleh protein antiterminator Q. Pengembang Gen. 17, 1281–1292 (2003).

Brennan, C. A., Dombroski, A. J. & Platt, T. Faktor terminasi transkripsi rho adalah helikase RNA-DNA. Sel 48, 945–952 (1987).

Jin, D. J., Burgess, R. R., Richardson, J. P. & Gross, C. A. Efisiensi terminasi pada terminator yang bergantung pada rho bergantung pada kopling kinetik antara RNA polimerase dan rho. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 89, 1453–1457 (1992).

Walstrom, K. M., Dozono, J. M., Robic, S. & amp von Hippel, P. H. Kinetika aktivitas helikase RNA-DNA dari Escherichia coli faktor terminasi transkripsi rho. 1. Karakterisasi dan analisis reaksi. Biokimia 36, 7980–7992 (1997).

Walstrom, K. M., Dozono, J. M. & amp von Hippel, P. H. Kinetika aktivitas helikase RNA-DNA dari Escherichia coli faktor terminasi transkripsi rho. 2. Prosesivitas, konsumsi ATP, dan pengikatan RNA. Biokimia 36, 7993–8004 (1997).

Zhu, A. Q. & amp von Hippel, P. H. Rho-terminasi tergantung dalam terminator trp t′. II. Efek persaingan kinetik dan prosesivitas rho. Biokimia 37, 11215–11222 (1998).

Zhu, A. Q. & amp von Hippel, P. H. Rho-terminasi tergantung dalam terminator trp t′. I. Pengaruh pemuatan rho dan urutan template. Biokimia 37, 11202–11214 (1998).

Walmacq, C., Rahmouni, A. R. & amp Boudvillain, M. Pengaruh komposisi substrat pada aktivitas helikase faktor terminasi transkripsi Rho: mengurangi processivity Rho hexamers selama unwinding daerah hibrida RNA-DNA. J. Mol. Biol. 342, 403–420 (2004).

Greenblatt, J., McLimont, M. & Hanly, S. Pengakhiran transkripsi oleh nusA protein gen dari Escherichia coli. Alam 292, 215–220 (1981).

Li, J., Horwitz, R., McCracken, S. & Greenblatt, J. NusG, baru Escherichia coli faktor pemanjangan yang terlibat dalam antiterminasi transkripsi oleh protein N fag . J.Biol. Kimia 267, 6012–6019 (1992).

Sullivan, S. L. & Gottesman, M. E. Persyaratan untuk E. coli Protein NusG dalam penghentian transkripsi yang bergantung pada faktor. Sel 68, 989–994 (1992).

Nehrke, K. W., Zalatan, F. & Platt, T. NusG mengubah penghentian transkripsi yang bergantung pada rho in vitro independen dari kopling kinetik. Gen Ekspr. 3, 119–133 (1993).

Mason, S. W. & Greenblatt, J. Perakitan kompleks elongasi transkripsi yang mengandung protein N dari fag dan Escherichia coli faktor pemanjangan NusA, NusB, NusG, dan S10. Pengembang Gen. 5, 1504–1512 (1991).

Das, A.et al. Komponen kompleks multiprotein-RNA yang mengontrol perpanjangan transkripsi dalam Escherichia coli fag . Metode Enzim. 274, 374–402 (1996).

Nodwell, J. R. & amp Greenblatt, J. Pengakuan boxA antiterminator RNA oleh E. coli faktor antiterminasi NusB dan protein ribosom S10. Sel 72, 261–268 (1993).

Torres, M., Condon, C., Balada, J. M., Squires, C. & Squires, C. L. Protein ribosom S4 adalah faktor transkripsi dengan sifat yang sangat mirip dengan NusA, protein yang terlibat dalam antiterminasi RNA non-ribosom dan ribosom. EMBO J. 20, 3811–3820 (2001).

Vogel, U. & Jensen, K. F. NusA diperlukan untuk antiterminasi ribosom dan untuk modulasi tingkat elongasi transkripsi RNA dan mRNA antiterminasi. J.Biol. Kimia 272, 12265–12271 (1997).

Glasstone, S., Laidler, K. & Eyring, H. Teori Proses Tingkat (McGraw–Hill, New York, 1941).

von Hippel, P. H. & amp Yager, T. D. Pemanjangan dan terminasi transkrip adalah proses kinetik yang kompetitif. Prok. Natl Acad. Sci. Amerika Serikat 88, 2307–2311 (1991). Mengatur pendekatan keadaan transisi untuk kinetika transkripsi.

von Hippel, P. H. & Pasman, Z. Jalur reaksi dalam pemanjangan transkrip. Biofis. Kimia 101–102, 401–423 (2002). Memberikan diskusi rinci tentang jalur reaksi alternatif dalam transkripsi.

Rees, W., Weitzel, S., Das, A. & amp von Hippel, P. Peraturan keputusan perpanjangan-penghentian di terminator intrinsik oleh protein antiterminasi N dari fag . J. Mol. Biol. 273, 797–893 (1997).

Levin, J. R. & Chamberlin, M. J. Pemetaan dan karakterisasi situs jeda transkripsi di wilayah genetik awal bakteriofag T7. J. Mol. Biol. 196, 61–84 (1987).

Arndt, K. M. & Chamberlin, M. J. Pengakhiran transkripsi di Escherichia coli. Pengukuran laju pelepasan enzim dari terminator Rho-independen. J. Mol. Biol. 202, 271–285 (1988).


Isi

kata pikiran berasal dari bahasa Inggris Kuno oht, atau geþoht, dari batang encan "untuk membayangkan dalam pikiran, pertimbangkan". [2]

Kata "pikiran" dapat berarti: [3] [4]

  • satu produk pemikiran atau satu ide ("Pikiran pertama saya adalah 'tidak.'")
  • produk dari aktivitas mental ("Matematika adalah kumpulan pemikiran yang besar.")
  • tindakan atau sistem pemikiran ("Saya lelah karena terlalu banyak berpikir.")
  • kapasitas untuk berpikir, menalar, membayangkan, dan sebagainya ("Semua pikirannya diterapkan pada pekerjaannya.")
  • pertimbangan atau refleksi pada sebuah ide ("Pikiran tentang kematian membuatku takut.")
  • ingatan atau kontemplasi ("Saya memikirkan masa kecil saya.")
  • niat yang setengah terbentuk atau tidak sempurna ("Saya sempat berpikir untuk pergi.")
  • antisipasi atau harapan ("Dia tidak berpikir untuk bertemu dengannya lagi.")
  • pertimbangan, perhatian, perhatian, atau rasa hormat ("Dia tidak memikirkan penampilannya" dan "Saya melakukannya tanpa berpikir.")
  • penilaian, pendapat, atau keyakinan ("Menurut pemikirannya, kejujuran adalah kebijakan terbaik.")
  • ide-ide karakteristik tempat tertentu, kelas, atau waktu ("pemikiran Yunani")
  • keadaan sadar akan sesuatu ("Itu membuatku memikirkan nenekku.")
  • cenderung percaya pada sesuatu, terutama dengan kurang percaya diri ("Saya pikir akan turun hujan, tapi saya tidak yakin.")

Definisi mungkin atau mungkin tidak memerlukan pemikiran itu

  • terjadi di dalam otak manusia (lihat antropomorfisme),
  • berlangsung sebagai bagian dari sistem biologis yang hidup (lihat Alan Turing and Computing Machinery and Intelligence),
  • terjadi hanya pada tingkat kesadaran sadar (lihat Teori Pikiran Tidak Sadar),
  • membutuhkan bahasa (lihat hipotesis Bahasa pemikiran),
  • pada prinsipnya atau bahkan hanya konseptual, abstrak ("formal"),
  • melibatkan konsep-konsep lain seperti menggambar analogi, menafsirkan, mengevaluasi, membayangkan, merencanakan, dan mengingat.

Definisi pemikiran juga dapat diturunkan secara langsung atau tidak langsung dari teori pemikiran.

  • "Garis besar teori proses berpikir dan mesin berpikir" (Caianiello) [5] – proses berpikir dan fenomena mental yang dimodelkan oleh set persamaan matematika
  • Permukaan dan Esensi: Analogi sebagai Bahan Bakar dan Api Pemikiran (Hofstadter dan Sander) [6] – sebuah teori yang dibangun di atas analogi
  • The Neural Theory of Language and Thought (Feldman dan Lakoff) [7] – pemodelan saraf bahasa dan hubungan spasial
  • Bentuk Pemikiran – Struktur, Kekuatan, dan Batasan Pemikiran (Baum) [8] – teori yang dibangun di atas model mental [9][10] – pemikiran yang bukan teori kesadaran – The Stuff of Thought (Steven Pinker, Noam Chomsky) [ 11] – Teori linguistik dan kognitif bahwa pemikiran didasarkan pada proses rekursi sintaksis dan linguistik (Jerry Fodor) [12] – Komposisi sintaksis dari representasi keadaan mental – Secara harfiah, 'Bahasa Pemikiran'.
  • Kemungkinan teori tentang bagaimana dan di mana di otak pikiran itu berasal dan bagaimana pikiran itu ditransmisikan dan diterima oleh otak lain. Rajvanshi, Anil K. (2010), Sifat Pikiran Manusia, ISBN978-81-905781-2-7.

Apa yang paling menggugah pikiran di masa-masa yang menggelisahkan ini, adalah bahwa kita masih belum berpikir.

Gerakan fenomenologi dalam filsafat melihat perubahan radikal dalam cara kita memahami pemikiran. Analisis fenomenologis Martin Heidegger tentang struktur eksistensial manusia dalam Menjadi dan Waktu memberikan cahaya baru pada masalah pemikiran, meresahkan kognitif tradisional atau interpretasi rasional manusia yang mempengaruhi cara kita memahami pikiran. Gagasan tentang peran mendasar dari pemahaman non-kognitif dalam memberikan kemungkinan kesadaran tematik menginformasikan diskusi seputar kecerdasan buatan (AI) selama tahun 1970-an dan 1980-an. [14]

Fenomenologi, bagaimanapun, bukanlah satu-satunya pendekatan untuk berpikir dalam filsafat Barat modern. Filsafat pikiran adalah cabang filsafat yang mempelajari sifat pikiran, peristiwa mental, fungsi mental, sifat mental, kesadaran dan hubungannya dengan tubuh fisik, khususnya otak. Masalah pikiran-tubuh, yaitu hubungan pikiran dengan tubuh, umumnya dilihat sebagai isu sentral dalam filsafat pikiran, meskipun ada masalah lain mengenai sifat pikiran yang tidak melibatkan hubungannya dengan tubuh fisik. [15]

Dikotomi pikiran-tubuh Sunting

Masalah pikiran-tubuh menyangkut penjelasan tentang hubungan yang ada antara pikiran, atau proses mental, dan keadaan atau proses tubuh. [15] Tujuan utama para filsuf yang bekerja di bidang ini adalah untuk menentukan sifat pikiran dan keadaan/proses mental, dan bagaimana—atau bahkan jika—pikiran dipengaruhi oleh dan dapat memengaruhi tubuh.

Pengalaman persepsi manusia bergantung pada rangsangan yang sampai pada berbagai organ indera seseorang dari dunia luar dan rangsangan ini menyebabkan perubahan kondisi mental seseorang, yang pada akhirnya menyebabkan seseorang merasakan sensasi, yang mungkin menyenangkan atau tidak menyenangkan. Keinginan seseorang untuk sepotong pizza, misalnya, akan cenderung menyebabkan orang tersebut menggerakkan tubuhnya dengan cara dan arah tertentu untuk mendapatkan apa yang diinginkannya. Pertanyaannya, kemudian, adalah bagaimana mungkin pengalaman sadar muncul dari gumpalan materi abu-abu yang tidak memiliki apa-apa selain sifat elektrokimia. Masalah terkait adalah untuk menjelaskan bagaimana sikap proposisional seseorang (misalnya keyakinan dan keinginan) dapat menyebabkan neuron individu tersebut menyala dan ototnya berkontraksi dengan cara yang tepat. Ini terdiri dari beberapa teka-teki yang telah dihadapi para epistemolog dan filsuf pikiran setidaknya sejak zaman René Descartes. [16]

Fungsionalisme vs. perwujudan Sunting

Hal di atas mencerminkan deskripsi fungsional klasik tentang bagaimana kita bekerja sebagai sistem berpikir kognitif. Namun masalah pikiran-tubuh yang tampaknya tak terpecahkan dikatakan dapat diatasi, dan dilewati, oleh pendekatan kognisi yang diwujudkan, dengan akarnya dalam karya Heidegger, Piaget, Vygotsky, Merleau-Ponty dan pragmatis John Dewey. [17] [18]

Pendekatan ini menyatakan bahwa pendekatan klasik memisahkan pikiran dan menganalisis prosesnya adalah salah arah: sebaliknya, kita harus melihat bahwa pikiran, tindakan agen yang diwujudkan, dan lingkungan yang dirasakan dan dibayangkannya, adalah semua bagian dari keseluruhan yang menentukan masing-masing. lainnya. Oleh karena itu, analisis fungsional dari pikiran saja akan selalu meninggalkan kita dengan masalah pikiran-tubuh yang tidak dapat dipecahkan. [19]

Neuron (juga dikenal sebagai neuron atau sel saraf) adalah sel yang dapat dirangsang dalam sistem saraf yang memproses dan mengirimkan informasi dengan sinyal elektrokimia. Neuron adalah komponen inti otak, sumsum tulang belakang vertebrata, saraf ventral invertebrata dan saraf perifer. Ada sejumlah tipe khusus neuron: neuron sensorik merespons sentuhan, suara, cahaya, dan banyak rangsangan lain yang memengaruhi sel-sel organ sensorik yang kemudian mengirim sinyal ke sumsum tulang belakang dan otak. Neuron motorik menerima sinyal dari otak dan sumsum tulang belakang yang menyebabkan kontraksi otot dan mempengaruhi kelenjar. Interneuron menghubungkan neuron ke neuron lain di dalam otak dan sumsum tulang belakang. Neuron menanggapi rangsangan, dan mengomunikasikan adanya rangsangan ke sistem saraf pusat, yang memproses informasi itu dan mengirimkan tanggapan ke bagian tubuh lain untuk bertindak. Neuron tidak melalui mitosis dan biasanya tidak dapat diganti setelah dihancurkan, meskipun astrosit telah diamati berubah menjadi neuron, karena terkadang bersifat pluripoten.

Psikolog telah berkonsentrasi pada pemikiran sebagai pengerahan tenaga intelektual yang bertujuan untuk menemukan jawaban atas pertanyaan atau solusi dari masalah praktis. Psikologi kognitif adalah cabang psikologi yang menyelidiki proses mental internal seperti pemecahan masalah, memori, dan bahasa yang semuanya digunakan dalam berpikir. Aliran pemikiran yang muncul dari pendekatan ini dikenal sebagai kognitivisme, yang tertarik pada bagaimana orang secara mental mewakili pemrosesan informasi. Ini memiliki dasar dalam psikologi Gestalt Max Wertheimer, Wolfgang Köhler, dan Kurt Koffka, [20] dan dalam karya Jean Piaget, yang memberikan teori tahapan/fase yang menggambarkan perkembangan kognitif anak-anak.

Psikolog kognitif menggunakan pendekatan psikofisik dan eksperimental untuk memahami, mendiagnosis, dan memecahkan masalah, mengenai diri mereka sendiri dengan proses mental yang menengahi antara stimulus dan respon. Mereka mempelajari berbagai aspek pemikiran, termasuk psikologi penalaran, dan bagaimana orang membuat keputusan dan pilihan, memecahkan masalah, serta terlibat dalam penemuan kreatif dan pemikiran imajinatif. Teori kognitif berpendapat bahwa solusi untuk masalah baik mengambil bentuk algoritma: aturan yang tidak harus dipahami tetapi menjanjikan solusi, atau heuristik: aturan yang dipahami tetapi tidak selalu menjamin solusi. Ilmu kognitif berbeda dari psikologi kognitif dalam algoritma yang dimaksudkan untuk mensimulasikan perilaku manusia diimplementasikan atau diimplementasikan pada komputer. Dalam kasus lain, solusi dapat ditemukan melalui wawasan, kesadaran hubungan yang tiba-tiba.

Dalam psikologi perkembangan, Jean Piaget adalah pelopor dalam studi perkembangan pemikiran sejak lahir hingga dewasa. Dalam teorinya tentang perkembangan kognitif, pemikiran didasarkan pada tindakan terhadap lingkungan. Artinya, Piaget menyarankan bahwa lingkungan dipahami melalui asimilasi objek dalam skema tindakan yang tersedia dan ini mengakomodasi objek sejauh skema yang tersedia tidak memenuhi tuntutan. Sebagai hasil dari interaksi antara asimilasi dan akomodasi ini, pemikiran berkembang melalui urutan tahapan yang berbeda secara kualitatif satu sama lain dalam cara representasi dan kompleksitas penyimpulan dan pemahaman. Artinya, pemikiran berkembang dari yang didasarkan pada persepsi dan tindakan pada tahap sensorimotor dalam dua tahun pertama kehidupan ke representasi internal pada anak usia dini. Selanjutnya, representasi secara bertahap diorganisasikan ke dalam struktur logis yang pertama-tama beroperasi pada sifat-sifat konkret realitas, dalam tahap operasi konkret, dan kemudian beroperasi pada prinsip-prinsip abstrak yang mengatur sifat-sifat konkret, dalam tahap operasi formal. [21] Dalam beberapa tahun terakhir, konsepsi pemikiran Piaget terintegrasi dengan konsepsi pemrosesan informasi. Dengan demikian, pemikiran dianggap sebagai hasil dari mekanisme yang bertanggung jawab atas representasi dan pemrosesan informasi. Dalam konsepsi ini, kecepatan pemrosesan, kontrol kognitif, dan memori kerja adalah fungsi utama yang mendasari pemikiran. Dalam teori perkembangan kognitif neo-Piagetian, perkembangan pemikiran dianggap berasal dari peningkatan kecepatan pemrosesan, peningkatan kontrol kognitif, dan peningkatan memori kerja. [22]

Psikologi positif menekankan aspek positif dari psikologi manusia sama pentingnya dengan fokus pada gangguan mood dan gejala negatif lainnya. Di dalam Kekuatan dan Kebajikan Karakter, Peterson dan Seligman mendaftar serangkaian karakteristik positif. Satu orang tidak diharapkan memiliki setiap kekuatan, juga tidak dimaksudkan untuk sepenuhnya merangkum karakteristik itu sepenuhnya. Daftar tersebut mendorong pemikiran positif yang dibangun di atas kekuatan seseorang, bukan bagaimana "memperbaiki" "gejala" mereka. [23]

"id", "ego" dan "super-ego" adalah tiga bagian dari "peralatan psikis" yang didefinisikan dalam model struktural jiwa Sigmund Freud, mereka adalah tiga konstruksi teoretis dalam hal aktivitas dan interaksinya kehidupan mental dijelaskan . Menurut model ini, tren naluriah yang tidak terkoordinasi dicakup oleh "id", bagian realistis yang terorganisir dari jiwa adalah "ego", dan fungsi moral yang kritis adalah "super-ego". [24]

Untuk psikoanalisis, ketidaksadaran tidak mencakup semua yang tidak disadari, melainkan hanya apa yang secara aktif ditekan dari pikiran sadar atau apa yang tidak ingin diketahui orang secara sadar. Dalam arti tertentu, pandangan ini menempatkan diri dalam hubungan dengan ketidaksadaran mereka sebagai musuh, berperang dengan dirinya sendiri untuk menyembunyikan apa yang tidak disadari. Jika seseorang merasakan sakit, yang bisa dia pikirkan hanyalah mengurangi rasa sakitnya. Setiap keinginannya, untuk menghilangkan rasa sakit atau menikmati sesuatu, memerintahkan pikiran apa yang harus dilakukan. Bagi Freud, ketidaksadaran adalah gudang untuk ide, keinginan atau keinginan yang tidak dapat diterima secara sosial, ingatan traumatis, dan emosi menyakitkan yang dikeluarkan dari pikiran melalui mekanisme represi psikologis. Namun, isinya tidak harus melulu negatif. Dalam pandangan psikoanalitik, ketidaksadaran adalah kekuatan yang hanya dapat dikenali dari efeknya—ia mengekspresikan dirinya dalam gejala. [25]

Psikologi sosial adalah studi tentang bagaimana orang dan kelompok berinteraksi. Para sarjana di bidang interdisipliner ini biasanya adalah psikolog atau sosiolog, meskipun semua psikolog sosial mempekerjakan individu dan kelompok sebagai unit analisis mereka. [26]

Terlepas dari kesamaan mereka, peneliti psikologis dan sosiologis cenderung berbeda dalam tujuan, pendekatan, metode, dan terminologi mereka. Mereka juga menyukai jurnal akademik dan masyarakat profesional yang terpisah. Periode terbesar kolaborasi antara sosiolog dan psikolog adalah selama tahun-tahun segera setelah Perang Dunia II. [27] Meskipun ada peningkatan isolasi dan spesialisasi dalam beberapa tahun terakhir, beberapa tingkat tumpang tindih dan pengaruh tetap antara dua disiplin ilmu. [28]

Ketidaksadaran kolektif, kadang-kadang dikenal sebagai alam bawah sadar kolektif, adalah istilah psikologi analitis, yang diciptakan oleh Carl Jung. Ini adalah bagian dari pikiran bawah sadar, yang dimiliki oleh suatu masyarakat, suatu bangsa, atau seluruh umat manusia, dalam suatu sistem yang saling berhubungan yang merupakan produk dari semua pengalaman umum dan mengandung konsep-konsep seperti sains, agama, dan moralitas. Sementara Freud tidak membedakan antara "psikologi individu" dan "psikologi kolektif", Jung membedakan ketidaksadaran kolektif dari alam bawah sadar pribadi khusus untuk setiap manusia. Ketidaksadaran kolektif juga dikenal sebagai "reservoir pengalaman spesies kita". [29]

Dalam bab "Definisi" dari karya mani Jung Tipe Psikologis, di bawah definisi "kolektif" referensi Jung kolektif representasi, sebuah istilah yang diciptakan oleh Lucien Lévy-Bruhl dalam bukunya tahun 1910 Bagaimana Pribumi Berpikir. Jung mengatakan inilah yang dia gambarkan sebagai ketidaksadaran kolektif. Freud, di sisi lain, tidak menerima gagasan ketidaksadaran kolektif.


Enzim dapat mengkatalisis reaksi yang tidak menguntungkan secara termodinamika dengan kopel dengan reaksi yang menguntungkan secara termodinamika. Paling sering, enzim menggunakan reaksi hidrolisis ATP (secara energi menguntungkan) sebagai sumber energi (dalam istilah sederhana) untuk mendorong reaksi yang tidak menguntungkan ke depan. Satu hal penting yang perlu diingat di sini adalah bahwa enzim tidak mendorong kesetimbangan reaksi maju atau mundur, mereka hanya membantu dalam mencapai kesetimbangan reaksi lebih cepat. Juga perhatikan bahwa enzim itu sendiri tidak mengubah termodinamika reaksi (seperti yang Anda katakan, G dari reaksi yang bersangkutan tetap sama, kecuali pada kesetimbangan), penggabungan reaksi yang menguntungkan dengan reaksi yang tidak menguntungkan hanya membantu dalam membuat reaksi keseluruhan. baik. Fenomena ini, dari satu reaksi yang mengubah laju reaksi lain, disebut katalisis yang diinduksi dan tidak ada hubungannya dengan enzim itu sendiri.

Saya akan berbicara tentang bagaimana enzim melakukan ini menggunakan contoh, sementara jawaban lainnya berbicara tentang semantik. Contoh yang akan membantu Anda memahami konsep ini adalah ATP sintase. Ini adalah enzim yang ditemukan di membran mitokondria bagian dalam yang memungkinkan pergerakan H + dari ruang antar membran menuju matriks mitokondria, menggunakan energi gerakan (karena ini menguntungkan dan eksergonik) untuk menghasilkan ATP. Reaksinya akan terlihat seperti ini:

$ce panah kanan ATP + 3 H^+_>$ (ingat bahwa tepat 3 H + tidak diperlukan, ini adalah versi yang disederhanakan)


Pertanyaan Berpikir Kritis

Menjelaskan organisasi kromosom eukariotik.

Menjelaskan struktur dan pasangan basa komplementer DNA.

Bagaimana kromosom linier pada eukariota memastikan bahwa ujungnya direplikasi sepenuhnya?

Transkripsikan dan terjemahkan urutan DNA berikut (untai nontemplate): 5'-ATGGCCGGTTATTAAGCA-3'

Jelaskan bagaimana mengendalikan ekspresi gen akan mengubah tingkat protein secara keseluruhan dalam sel.

Sebagai Associate Amazon, kami memperoleh penghasilan dari pembelian yang memenuhi syarat.

Ingin mengutip, membagikan, atau memodifikasi buku ini? Buku ini adalah Creative Commons Attribution License 4.0 dan Anda harus mengaitkan OpenStax.

    Jika Anda mendistribusikan kembali semua atau sebagian dari buku ini dalam format cetak, maka Anda harus menyertakan pada setiap halaman fisik atribusi berikut:

  • Gunakan informasi di bawah ini untuk menghasilkan kutipan. Sebaiknya gunakan alat kutipan seperti ini.
    • Penulis: Samantha Fowler, Rebecca Roush, James Wise
    • Penerbit/situs web: OpenStax
    • Judul buku: Konsep Biologi
    • Tanggal publikasi: 25 April 2013
    • Lokasi: Houston, Texas
    • URL Buku: https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction
    • URL Bagian: https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/9-critical-thinking-questions

    © Jan 12, 2021 OpenStax. Konten buku teks yang diproduksi oleh OpenStax dilisensikan di bawah lisensi Creative Commons Attribution License 4.0. Nama OpenStax, logo OpenStax, sampul buku OpenStax, nama OpenStax CNX, dan logo OpenStax CNX tidak tunduk pada lisensi Creative Commons dan tidak boleh direproduksi tanpa persetujuan tertulis sebelumnya dan tersurat dari Rice University.


    Isi

    Sains dalam arti luas sudah ada sebelum era modern dan dalam banyak peradaban sejarah. [38] Sains modern berbeda dalam pendekatannya dan berhasil dalam hasilnya, jadi sekarang sains mendefinisikan apa itu sains dalam arti istilah yang paling ketat. [3] [5] [39] Sains dalam arti aslinya adalah kata untuk jenis pengetahuan, bukan kata khusus untuk mengejar pengetahuan tersebut. Secara khusus, itu adalah jenis pengetahuan yang orang dapat berkomunikasi satu sama lain dan berbagi. Misalnya, pengetahuan tentang cara kerja benda-benda alam dikumpulkan jauh sebelum sejarah mencatat dan mengarah pada perkembangan pemikiran abstrak yang kompleks. Hal ini ditunjukkan oleh konstruksi kalender yang rumit, teknik untuk membuat tanaman beracun dapat dimakan, pekerjaan umum dalam skala nasional, seperti yang memanfaatkan dataran banjir Yangtse dengan waduk, [40] bendungan, dan tanggul, dan bangunan seperti Piramida. Namun, tidak ada perbedaan sadar yang konsisten dibuat antara pengetahuan tentang hal-hal seperti itu, yang benar di setiap komunitas, dan jenis pengetahuan komunal lainnya, seperti mitologi dan sistem hukum. Metalurgi dikenal di prasejarah, dan budaya Vinča adalah produsen paling awal yang diketahui dari paduan seperti perunggu. Diperkirakan bahwa eksperimen awal dengan pemanasan dan pencampuran zat dari waktu ke waktu berkembang menjadi alkimia.

    Akar paling awal

    Akar ilmu pengetahuan paling awal dapat ditelusuri ke Mesir Kuno dan Mesopotamia pada sekitar 3000 hingga 1200 SM. [5] Meskipun kata-kata dan konsep "sains" dan "alam" bukan bagian dari lanskap konseptual pada saat itu, orang Mesir kuno dan Mesopotamia memberikan kontribusi yang kemudian menemukan tempat dalam sains Yunani dan abad pertengahan: matematika, astronomi, dan obat-obatan. [41] [5] Mulai sekitar 3000 SM, orang Mesir kuno mengembangkan sistem penomoran yang berkarakter desimal dan telah mengorientasikan pengetahuan mereka tentang geometri untuk memecahkan masalah praktis seperti surveyor dan pembangun. [5] Mereka bahkan mengembangkan kalender resmi yang berisi dua belas bulan, masing-masing tiga puluh hari, dan lima hari di akhir tahun. [5] Berdasarkan papirus medis yang ditulis pada 2500-1200 SM, orang Mesir kuno percaya bahwa penyakit terutama disebabkan oleh invasi tubuh oleh kekuatan jahat atau roh. Jadi, selain perawatan obat, terapi penyembuhan akan melibatkan doa, mantra, dan ritual. [5]

    Mesopotamia kuno menggunakan pengetahuan tentang sifat-sifat berbagai bahan kimia alami untuk pembuatan tembikar, faience, kaca, sabun, logam, plester kapur, dan waterproofing [42] mereka juga mempelajari fisiologi hewan, anatomi, dan perilaku untuk tujuan ramalan [42] dan dibuat catatan ekstensif pergerakan objek astronomi untuk studi astrologi mereka. [43] Mesopotamia memiliki minat yang kuat dalam pengobatan [42] dan resep medis paling awal muncul di Sumeria selama Dinasti Ketiga Ur (c. 2112 SM – c. 2004 SM). [44] Meskipun demikian, orang Mesopotamia tampaknya memiliki sedikit minat dalam mengumpulkan informasi tentang alam hanya demi mengumpulkan informasi [42] dan terutama hanya mempelajari mata pelajaran ilmiah yang memiliki aplikasi praktis yang jelas atau relevansi langsung dengan sistem keagamaan mereka. [42]

    Zaman klasik

    Di zaman klasik, tidak ada analog kuno yang nyata dari seorang ilmuwan modern. Sebaliknya, individu laki-laki yang berpendidikan tinggi, biasanya kelas atas, dan hampir secara universal melakukan berbagai penyelidikan ke alam kapan pun mereka bisa meluangkan waktu. [45] Sebelum penemuan atau penemuan konsep "alam" (Yunani kuno phusis) oleh para filsuf Pra-Socrates, kata-kata yang sama cenderung digunakan untuk menggambarkan alami "cara" di mana tanaman tumbuh, [46] dan "cara" di mana, misalnya, satu suku menyembah dewa tertentu. Untuk alasan ini, diklaim bahwa orang-orang ini adalah filsuf pertama dalam arti sempit, dan juga orang pertama yang dengan jelas membedakan "alam" dan "konvensi." [47] : 209 Filsafat alam, pendahulu ilmu pengetahuan alam, dengan demikian dibedakan sebagai pengetahuan tentang alam dan hal-hal yang benar untuk setiap komunitas, dan nama pencarian khusus pengetahuan tersebut adalah filsafat – ranah filosof-fisikawan pertama. Mereka terutama spekulan atau ahli teori, terutama tertarik pada astronomi. Sebaliknya, mencoba menggunakan pengetahuan tentang alam untuk meniru alam (kecerdasan atau teknologi, bahasa Yunani teknologi) dipandang oleh para ilmuwan klasik sebagai minat yang lebih tepat untuk pengrajin dari kelas sosial yang lebih rendah. [48]

    Filsuf Yunani awal dari sekolah Milesian, yang didirikan oleh Thales dari Miletus dan kemudian dilanjutkan oleh penerusnya Anaximander dan Anaximenes, adalah orang pertama yang mencoba menjelaskan fenomena alam tanpa mengandalkan supranatural. [50] Pythagoras mengembangkan filsafat bilangan kompleks [51] : 467–68 dan memberikan kontribusi signifikan terhadap pengembangan ilmu matematika. [51] : 465 Teori atom dikembangkan oleh filsuf Yunani Leucippus dan muridnya Democritus. [52] [53] Dokter Yunani Hippocrates mendirikan tradisi ilmu kedokteran sistematis [54] [55] dan dikenal sebagai "Bapak Kedokteran". [56]

    Titik balik dalam sejarah ilmu filsafat awal adalah contoh Socrates menerapkan filsafat untuk mempelajari masalah manusia, termasuk sifat manusia, sifat komunitas politik, dan pengetahuan manusia itu sendiri. Metode Socrates seperti yang didokumentasikan oleh dialog Platon adalah metode dialektika penghapusan hipotesis: hipotesis yang lebih baik ditemukan dengan terus mengidentifikasi dan menghilangkan yang mengarah pada kontradiksi. Ini adalah reaksi terhadap penekanan Sofis pada retorika. Metode Socrates mencari kebenaran umum yang dipegang teguh yang membentuk keyakinan dan menelitinya untuk menentukan konsistensinya dengan keyakinan lain. [57] Socrates mengkritik jenis studi fisika yang lebih tua sebagai terlalu murni spekulatif dan kurang kritik diri. Socrates kemudian, dalam kata-katanya Permintaan maaf, dituduh merusak pemuda Athena karena dia "tidak percaya pada dewa-dewa yang dipercayai negara, tetapi pada makhluk spiritual baru lainnya". Socrates membantah klaim ini, [58] tetapi dijatuhi hukuman mati. [59] : 30e

    Aristoteles kemudian menciptakan program sistematis filsafat teleologis: Gerak dan perubahan digambarkan sebagai aktualisasi potensi yang sudah ada dalam benda, menurut jenis bendanya. Dalam fisikanya, Matahari mengelilingi Bumi, dan banyak hal memilikinya sebagai bagian dari sifatnya bahwa itu adalah untuk manusia. Setiap hal memiliki penyebab formal, penyebab akhir, dan peran dalam tatanan kosmik dengan penggerak yang tidak bergerak. Socrates juga bersikeras bahwa filsafat harus digunakan untuk mempertimbangkan pertanyaan praktis tentang cara terbaik untuk hidup bagi manusia (sebuah studi yang dibagi Aristoteles menjadi etika dan filsafat politik). Aristoteles menyatakan bahwa manusia mengetahui sesuatu secara ilmiah "ketika ia memiliki suatu keyakinan tiba dengan cara tertentu, dan ketika prinsip-prinsip pertama yang mendasari keyakinan itu diketahui olehnya dengan pasti". [60]

    Astronom Yunani Aristarchus dari Samos (310–230 SM) adalah orang pertama yang mengusulkan model heliosentris alam semesta, dengan Matahari di pusatnya dan semua planet mengorbitnya. [61] Model Aristarchus ditolak secara luas karena diyakini melanggar hukum fisika. [61] Penemu dan matematikawan Archimedes dari Syracuse memberikan kontribusi besar pada permulaan kalkulus [62] dan kadang-kadang dianggap sebagai penemunya, [62] meskipun proto-kalkulusnya tidak memiliki beberapa fitur yang menentukan. [62] Pliny the Elder adalah seorang penulis dan polymath Romawi, yang menulis ensiklopedia mani Sejarah Alam, [63] [64] [65] berurusan dengan sejarah, geografi, kedokteran, astronomi, ilmu bumi, botani, dan zoologi. [63] Ilmuwan atau proto-ilmuwan lain di Zaman Kuno adalah Theophrastus, Euclid, Herophilos, Hipparchus, Ptolemy, dan Galen.

    Ilmu abad pertengahan

    Karena runtuhnya Kekaisaran Romawi Barat karena Periode Migrasi, penurunan intelektual terjadi di bagian barat Eropa pada tahun 400-an. Sebaliknya, Kekaisaran Bizantium menahan serangan dari penjajah, dan melestarikan dan meningkatkan pembelajaran. John Philoponus, seorang sarjana Bizantium di tahun 500-an, mempertanyakan ajaran fisika Aristoteles, mencatat kekurangannya. [67] : pp.307, 311, 363, 402 Kritik John Philoponus terhadap prinsip-prinsip fisika Aristotelian menjadi inspirasi bagi para sarjana abad pertengahan serta Galileo Galilei yang sepuluh abad kemudian, selama Revolusi Ilmiah, secara ekstensif mengutip Philoponus dalam karyanya bekerja sambil membuat alasan mengapa fisika Aristotelian cacat. [67] [68]

    Selama zaman kuno akhir dan awal Abad Pertengahan, pendekatan Aristotelian untuk penyelidikan tentang fenomena alam digunakan. Empat penyebab Aristoteles menetapkan bahwa pertanyaan "mengapa" harus dijawab dalam empat cara untuk menjelaskan berbagai hal secara ilmiah. [69] Beberapa pengetahuan kuno hilang, atau dalam beberapa kasus disimpan dalam ketidakjelasan, selama jatuhnya Kekaisaran Romawi Barat dan perjuangan politik berkala. Namun, bidang ilmu umum (atau "filsafat alam" demikian sebutannya) dan sebagian besar pengetahuan umum dari dunia kuno tetap dipertahankan melalui karya-karya ensiklopedis Latin awal seperti Isidore dari Seville. [70] Namun, teks asli Aristoteles akhirnya hilang di Eropa Barat, dan hanya satu teks karya Plato yang dikenal luas, yaitu Timaeus, yang merupakan satu-satunya dialog Platonis, dan salah satu dari sedikit karya asli filsafat alam klasik, yang tersedia bagi pembaca Latin pada awal Abad Pertengahan. Karya orisinal lain yang mendapat pengaruh pada periode ini adalah karya Ptolemeus Almagest, yang berisi deskripsi geosentris tata surya.

    Selama zaman kuno akhir, di kekaisaran Bizantium banyak teks klasik Yunani yang diawetkan. Banyak terjemahan bahasa Suryani dilakukan oleh kelompok-kelompok seperti Nestorian dan Monofisit. [71] Mereka memainkan peran ketika mereka menerjemahkan teks-teks klasik Yunani ke dalam bahasa Arab di bawah kekhalifahan, di mana banyak jenis pembelajaran klasik dipertahankan dan dalam beberapa kasus ditingkatkan. [71] [a] Selain itu, Kekaisaran Sassanid yang bertetangga mendirikan Akademi medis Gondeshapur di mana para dokter Yunani, Siria, dan Persia mendirikan pusat medis terpenting di dunia kuno selama abad ke-6 dan ke-7. [72]

    Rumah Kebijaksanaan didirikan di Baghdad era Abbasiyah, Irak, [73] di mana studi Islam tentang Aristotelianisme berkembang. Al-Kindi (801–873) adalah yang pertama dari filsuf Peripatetik Muslim, dan dikenal karena usahanya untuk memperkenalkan filsafat Yunani dan Helenistik ke dunia Arab. [74] Zaman Keemasan Islam berkembang dari waktu ini sampai invasi Mongol pada abad ke-13. Ibn al-Haytham (Alhazen), serta pendahulunya Ibn Sahl, akrab dengan karya Ptolemy. Optik, dan menggunakan eksperimen sebagai sarana untuk memperoleh pengetahuan. [b] [75] [76] : 463–65 Alhazen membantah teori penglihatan Ptolemy, [77] tetapi tidak membuat perubahan yang sesuai dengan metafisika Aristoteles. Selanjutnya, dokter dan alkemis seperti Avicenna Persia dan Al-Razi juga sangat mengembangkan ilmu Kedokteran dengan yang pertama menulis Canon of Medicine, sebuah ensiklopedia medis yang digunakan hingga abad ke-18 dan yang terakhir menemukan banyak senyawa seperti alkohol. Kanon Avicenna dianggap sebagai salah satu publikasi terpenting dalam kedokteran dan keduanya berkontribusi secara signifikan pada praktik kedokteran eksperimental, menggunakan uji klinis dan eksperimen untuk mendukung klaim mereka. [78]

    Pada zaman Klasik, tabu Yunani dan Romawi berarti bahwa pembedahan biasanya dilarang di zaman kuno, tetapi pada Abad Pertengahan itu berubah: guru kedokteran dan siswa di Bologna mulai membuka tubuh manusia, dan Mondino de Luzzi (c. 1275–1326) menghasilkan buku teks anatomi pertama yang diketahui berdasarkan pembedahan manusia. [79] [80]

    Pada abad kesebelas, sebagian besar Eropa telah menjadi monarki Kristen yang lebih kuat. Muncul perbatasan yang dipulihkan perkembangan teknologi dan inovasi pertanian dibuat yang meningkatkan pasokan makanan dan populasi. Selain itu, teks Yunani klasik mulai diterjemahkan dari bahasa Arab dan Yunani ke dalam bahasa Latin, memberikan tingkat diskusi ilmiah yang lebih tinggi di Eropa Barat. [7]

    Pada 1088, universitas pertama di Eropa (Universitas Bologna) telah muncul dari awal klerikalnya. Permintaan untuk terjemahan Latin tumbuh (misalnya, dari Sekolah Penerjemah Toledo) orang Eropa barat mulai mengumpulkan teks yang ditulis tidak hanya dalam bahasa Latin, tetapi juga terjemahan Latin dari bahasa Yunani, Arab, dan Ibrani. Salinan naskah Alhazen's Buku Optik juga disebarkan di seluruh Eropa sebelum 1240, [81] : Intro. P. xx sebagaimana dibuktikan dengan penggabungannya ke dalam Vitello's Perspektif. Kanon Avicenna diterjemahkan ke dalam bahasa Latin. [82] Secara khusus, teks-teks Aristoteles, Ptolemy, [c] dan Euclid, yang disimpan di Rumah Kebijaksanaan dan juga di Kekaisaran Bizantium, [83] dicari di antara para sarjana Katolik. Masuknya teks-teks kuno menyebabkan Renaisans abad ke-12 dan berkembangnya sintesis Katolik dan Aristotelianisme yang dikenal sebagai Skolastik di Eropa Barat, yang menjadi pusat geografi baru ilmu pengetahuan. NS percobaan pada periode ini akan dipahami sebagai proses mengamati, menggambarkan, dan mengklasifikasikan secara cermat. [84] Salah satu ilmuwan terkemuka di era ini adalah Roger Bacon. Skolastisisme memiliki fokus yang kuat pada wahyu dan penalaran dialektika, dan secara bertahap tidak disukai selama berabad-abad berikutnya, karena fokus alkimia pada eksperimen yang mencakup pengamatan langsung dan dokumentasi yang cermat perlahan-lahan semakin penting.

    Renaisans dan sains modern awal

    Perkembangan baru dalam optik berperan dalam lahirnya Renaisans, baik dengan menantang gagasan metafisika yang telah lama dipegang tentang persepsi, maupun dengan berkontribusi pada peningkatan dan pengembangan teknologi seperti kamera obscura dan teleskop. Sebelum apa yang sekarang kita kenal sebagai Renaisans dimulai, Roger Bacon, Vitello, dan John Peckham masing-masing membangun ontologi skolastik di atas rantai kausal yang dimulai dengan sensasi, persepsi, dan akhirnya apersepsi bentuk individu dan universal Aristoteles. [85] Sebuah model visi yang kemudian dikenal sebagai perspektivisme dieksploitasi dan dipelajari oleh para seniman Renaisans. Teori ini hanya menggunakan tiga dari empat penyebab Aristoteles: formal, material, dan final. [86]

    Pada abad keenam belas, Copernicus merumuskan model heliosentris tata surya tidak seperti model geosentris Ptolemy. Almagest. Ini didasarkan pada teorema bahwa periode orbit planet-planet lebih lama karena orbitnya lebih jauh dari pusat gerak, yang menurutnya tidak sesuai dengan model Ptolemy. [87]

    Kepler dan lain-lain menantang gagasan bahwa satu-satunya fungsi mata adalah persepsi, dan menggeser fokus utama dalam optik dari mata ke propagasi cahaya. [86] [88] : 102 Kepler memodelkan mata sebagai bola kaca berisi air dengan lubang di depannya untuk memodelkan pupil masuk. Dia menemukan bahwa semua cahaya dari satu titik pemandangan dicitrakan pada satu titik di belakang bola kaca. Rantai optik berakhir pada retina di bagian belakang mata. [d] Kepler paling dikenal, bagaimanapun, untuk meningkatkan model heliosentris Copernicus melalui penemuan hukum gerak planet Kepler. Kepler tidak menolak metafisika Aristotelian dan menggambarkan karyanya sebagai pencarian Harmoni Bola.

    Galileo memanfaatkan eksperimen dan matematika secara inovatif. Namun, ia dianiaya setelah Paus Urbanus VIII memberkati Galileo untuk menulis tentang sistem Copernicus. Galileo telah menggunakan argumen dari Paus dan menempatkan mereka dalam suara orang bodoh dalam karya "Dialog Mengenai Dua Sistem Utama Dunia", yang sangat menyinggung Urban VIII. [89]

    Di Eropa Utara, teknologi baru mesin cetak digunakan secara luas untuk menerbitkan banyak argumen, termasuk beberapa yang tidak setuju secara luas dengan ide-ide kontemporer tentang alam. René Descartes dan Francis Bacon menerbitkan argumen filosofis yang mendukung jenis baru sains non-Aristotelian. Descartes menekankan pemikiran individu dan berpendapat bahwa matematika daripada geometri harus digunakan untuk mempelajari alam. Bacon menekankan pentingnya eksperimen daripada kontemplasi. Bacon lebih lanjut mempertanyakan konsep Aristotelian tentang penyebab formal dan penyebab akhir, dan mempromosikan gagasan bahwa sains harus mempelajari hukum sifat "sederhana", seperti panas, daripada mengasumsikan bahwa ada sifat tertentu, atau "penyebab formal", dari setiap jenis hal yang kompleks. Ilmu baru ini mulai melihat dirinya sebagai penggambaran "hukum alam". Pendekatan yang diperbarui untuk studi di alam ini dipandang sebagai mekanistik. Bacon juga berpendapat bahwa ilmu pengetahuan harus bertujuan untuk pertama kalinya pada penemuan praktis untuk peningkatan semua kehidupan manusia.

    Zaman Pencerahan

    Sebagai pelopor Zaman Pencerahan, Isaac Newton dan Gottfried Wilhelm Leibniz berhasil mengembangkan fisika baru, yang sekarang disebut mekanika klasik, yang dapat dikonfirmasi dengan eksperimen dan dijelaskan menggunakan matematika (Newton (1687), Philosophi Naturalis Principia Mathematica). Leibniz juga memasukkan istilah dari fisika Aristotelian, tetapi sekarang digunakan dalam cara non-teleologis baru, misalnya, "energi" dan "potensial" (versi modern Aristotelian "energi dan potensi"). Ini menyiratkan pergeseran pandangan objek: Dimana Aristoteles telah mencatat bahwa objek memiliki tujuan bawaan tertentu yang dapat diaktualisasikan, objek sekarang dianggap sebagai tanpa tujuan bawaan. Dalam gaya Francis Bacon, Leibniz berasumsi bahwa jenis yang berbeda segala sesuatu bekerja menurut hukum alam umum yang sama, tanpa sebab formal atau final khusus untuk setiap jenis benda.[90] Selama periode inilah kata "sains" berangsur-angsur menjadi lebih umum digunakan untuk merujuk pada suatu jenis pengejaran dari jenis pengetahuan, terutama pengetahuan tentang alam – mendekati makna istilah lama "filsafat alam".

    Selama ini, tujuan dan nilai ilmu yang dinyatakan menjadi menghasilkan kekayaan dan penemuan yang akan meningkatkan kehidupan manusia, dalam arti materialistis memiliki lebih banyak makanan, pakaian, dan hal-hal lain. Dalam kata-kata Bacon, "tujuan nyata dan sah dari ilmu pengetahuan adalah anugerah kehidupan manusia dengan penemuan dan kekayaan baru", dan dia melarang para ilmuwan untuk mengejar ide-ide filosofis atau spiritual yang tidak berwujud, yang dia yakini berkontribusi sedikit pada kebahagiaan manusia di luar "asap dari spekulasi yang halus, luhur, atau menyenangkan". [91]

    Sains selama Pencerahan didominasi oleh masyarakat ilmiah [92] dan akademi, yang sebagian besar telah menggantikan universitas sebagai pusat penelitian dan pengembangan ilmiah. Masyarakat dan akademi juga menjadi tulang punggung pematangan profesi ilmiah. Perkembangan penting lainnya adalah mempopulerkan sains di antara populasi yang semakin melek huruf. Filsafat memperkenalkan kepada publik banyak teori ilmiah, terutama melalui Ensiklopedi dan mempopulerkan Newtonianisme oleh Voltaire serta oleh milie du Châtelet, penerjemah Prancis dari Newton's Prinsip.

    Beberapa sejarawan telah menandai abad ke-18 sebagai periode yang menjemukan dalam sejarah ilmu pengetahuan [93] namun, abad ini melihat kemajuan signifikan dalam praktik kedokteran, matematika, dan fisika, pengembangan taksonomi biologis, pemahaman baru tentang magnet dan listrik, dan pematangan kimia sebagai disiplin, yang mendirikan dasar-dasar kimia modern.

    Para filsuf Pencerahan memilih sejarah singkat para pendahulu ilmiah – terutama Galileo, Boyle, dan Newton – sebagai panduan dan penjamin penerapan konsep tunggal alam dan hukum alam pada setiap bidang fisik dan sosial saat itu. Dalam hal ini, pelajaran sejarah dan struktur sosial yang dibangun di atasnya dapat dibuang. [94]

    Gagasan tentang sifat manusia, masyarakat, dan ekonomi juga berkembang selama Pencerahan. Hume dan pemikir Pencerahan Skotlandia lainnya mengembangkan "ilmu tentang manusia", [95] yang diungkapkan secara historis dalam karya-karya penulis termasuk James Burnett, Adam Ferguson, John Millar dan William Robertson, yang semuanya menggabungkan studi ilmiah tentang bagaimana manusia berperilaku di budaya kuno dan primitif dengan kesadaran yang kuat akan kekuatan penentu modernitas. Sosiologi modern sebagian besar berasal dari gerakan ini. [96] Pada tahun 1776, Adam Smith menerbitkan Kekayaan Bangsa, yang sering dianggap sebagai karya pertama ekonomi modern. [97]

    Abad ke-19

    Abad kesembilan belas adalah periode yang sangat penting dalam sejarah ilmu pengetahuan karena selama era ini banyak karakteristik yang membedakan ilmu pengetahuan modern kontemporer mulai terbentuk seperti: transformasi kehidupan dan ilmu fisika, sering menggunakan instrumen presisi, munculnya istilah seperti " ahli biologi", "fisikawan", "ilmuwan" perlahan-lahan menjauh dari label kuno seperti "filsafat alam" dan "sejarah alam", peningkatan profesionalisasi mereka yang mempelajari alam menyebabkan pengurangan naturalis amatir, ilmuwan memperoleh otoritas budaya atas banyak dimensi masyarakat, ekspansi ekonomi dan industrialisasi banyak negara, berkembangnya tulisan-tulisan ilmiah populer dan munculnya jurnal-jurnal sains. [17]

    Pada awal abad ke-19, John Dalton mengusulkan teori atom modern, berdasarkan ide asli Democritus tentang partikel tak terbagi yang disebut atom.

    Baik John Herschel dan William Whewell mensistematisasikan metodologi: yang terakhir menciptakan istilah ilmuwan. [98]

    Selama pertengahan abad ke-19, Charles Darwin dan Alfred Russel Wallace secara independen mengajukan teori evolusi melalui seleksi alam pada tahun 1858, yang menjelaskan bagaimana tumbuhan dan hewan yang berbeda berasal dan berevolusi. Teori mereka diuraikan secara rinci dalam buku Darwin Tentang Asal Usul Spesies, yang diterbitkan pada tahun 1859. [99] Secara terpisah, Gregor Mendel mempresentasikan makalahnya, "Versuche über Pflanzenhybriden" ("Eksperimen pada Hibridisasi Tanaman"), pada tahun 1865, [100] yang menguraikan prinsip-prinsip pewarisan biologis, yang menjadi dasar genetika modern.[101]

    Hukum kekekalan energi, kekekalan momentum dan kekekalan massa menyarankan alam semesta yang sangat stabil di mana hanya ada sedikit kehilangan sumber daya. Dengan munculnya mesin uap dan revolusi industri, bagaimanapun, ada pemahaman yang meningkat bahwa semua bentuk energi seperti yang didefinisikan dalam fisika tidak sama-sama berguna: mereka tidak memiliki kualitas energi yang sama. Kesadaran ini mengarah pada pengembangan hukum termodinamika, di mana energi bebas alam semesta dipandang terus menurun: entropi alam semesta tertutup meningkat seiring waktu.

    Teori elektromagnetik juga didirikan pada abad ke-19 oleh karya-karya Hans Christian rsted, André-Marie Ampre, Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Oliver Heaviside, dan Heinrich Hertz. Teori baru ini menimbulkan pertanyaan yang tidak mudah dijawab dengan menggunakan kerangka Newton. Fenomena yang memungkinkan dekonstruksi atom ditemukan pada dekade terakhir abad ke-19: penemuan sinar-X mengilhami penemuan radioaktivitas. Pada tahun berikutnya datang penemuan partikel subatomik pertama, elektron.

    Selama akhir abad ke-19, psikologi muncul sebagai disiplin ilmu yang terpisah dari filsafat ketika Wilhelm Wundt mendirikan laboratorium pertama untuk penelitian psikologi pada tahun 1879. [102]

    Abad ke-20

    Teori relativitas Albert Einstein dan perkembangan mekanika kuantum menyebabkan penggantian mekanika klasik dengan fisika baru yang berisi dua bagian yang menggambarkan berbagai jenis peristiwa di alam.

    Pada paruh pertama abad ini, perkembangan antibiotik dan pupuk buatan memungkinkan pertumbuhan populasi manusia secara global. Pada saat yang sama, struktur atom dan nukleusnya ditemukan, yang mengarah pada pelepasan "energi atom" (tenaga nuklir). Selain itu, penggunaan ekstensif inovasi teknologi yang dirangsang oleh perang abad ini menyebabkan revolusi dalam transportasi (mobil dan pesawat terbang), pengembangan ICBM, perlombaan ruang angkasa, dan perlombaan senjata nuklir.

    Evolusi menjadi teori terpadu pada awal abad ke-20 ketika sintesis modern menyatukan evolusi Darwin dengan genetika klasik. [103] Struktur molekul DNA ditemukan oleh James Watson dan Francis Crick pada tahun 1953.

    Penemuan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik pada tahun 1964 menyebabkan penolakan terhadap teori Keadaan Tetap alam semesta yang mendukung teori Big Bang dari Georges Lemaître.

    Perkembangan penerbangan luar angkasa pada paruh kedua abad ini memungkinkan pengukuran astronomi pertama dilakukan pada atau di dekat objek lain di luar angkasa, termasuk enam pendaratan berawak di Bulan. Teleskop luar angkasa menghasilkan banyak penemuan dalam astronomi dan kosmologi.

    Penggunaan sirkuit terpadu yang meluas pada kuartal terakhir abad ke-20 yang dikombinasikan dengan satelit komunikasi menyebabkan revolusi dalam teknologi informasi dan munculnya internet global dan komputasi seluler, termasuk telepon pintar. Kebutuhan akan sistematisasi massal dari rantai kausal yang panjang dan saling terkait dan sejumlah besar data menyebabkan munculnya bidang teori sistem dan pemodelan ilmiah berbantuan komputer, yang sebagian didasarkan pada paradigma Aristotelian. [104]

    Abad ke 21

    Proyek Genom Manusia selesai pada tahun 2003, menentukan urutan pasangan basa nukleotida yang membentuk DNA manusia, dan mengidentifikasi dan memetakan semua gen genom manusia. [105] Sel induk berpotensi majemuk yang diinduksi dikembangkan pada tahun 2006, sebuah teknologi yang memungkinkan sel dewasa diubah menjadi sel punca yang mampu memunculkan jenis sel apa pun yang ditemukan di dalam tubuh, yang berpotensi sangat penting bagi bidang kedokteran regeneratif. [106]

    Dengan ditemukannya Higgs boson pada tahun 2012, partikel terakhir yang diprediksi oleh Model Standar fisika partikel ditemukan. Pada 2015, gelombang gravitasi, yang diprediksi oleh relativitas umum seabad sebelumnya, pertama kali diamati. [107] [108]

    Ilmu pengetahuan modern umumnya dibagi menjadi tiga cabang utama: ilmu alam, ilmu sosial, dan ilmu formal. [19] Masing-masing cabang ini terdiri dari berbagai disiplin ilmu yang terspesialisasi namun tumpang tindih yang seringkali memiliki tata nama dan keahlian mereka sendiri. [109] Baik ilmu alam dan ilmu sosial adalah ilmu empiris, [110] karena pengetahuan mereka didasarkan pada pengamatan empiris dan mampu diuji validitasnya oleh peneliti lain yang bekerja di bawah kondisi yang sama. [111]

    Ada juga disiplin ilmu terkait erat yang menggunakan sains, seperti teknik dan kedokteran, yang kadang-kadang digambarkan sebagai ilmu terapan. Hubungan antar cabang ilmu dirangkum dalam tabel berikut.

    Sains
    Ilmu empiris Ilmu formal
    Ilmu pengetahuan Alam Ilmu kemasyarakatan
    Dasar Fisika, kimia, biologi, ilmu bumi, dan ilmu antariksa Antropologi, ekonomi, ilmu politik, geografi manusia, psikologi, dan sosiologi Logika, matematika, dan statistik
    Terapan Teknik, ilmu pertanian, kedokteran, dan ilmu material Administrasi bisnis, kebijakan publik, pemasaran, hukum, pedagogi, dan pengembangan internasional Ilmu Komputer

    Ilmu pengetahuan Alam

    Ilmu alam adalah studi tentang dunia fisik. Ini dapat dibagi menjadi dua cabang utama: ilmu kehidupan (atau ilmu biologi) dan ilmu fisika. Kedua cabang ini dapat dibagi lagi menjadi disiplin ilmu yang lebih khusus. Misalnya, ilmu fisika dapat dibagi lagi menjadi fisika, kimia, astronomi, dan ilmu bumi. Ilmu alam modern adalah penerus filsafat alam yang dimulai di Yunani Kuno. Galileo, Descartes, Bacon, dan Newton memperdebatkan manfaat menggunakan pendekatan yang lebih matematis dan lebih eksperimental dengan cara yang metodis. Namun, perspektif filosofis, dugaan, dan praanggapan, yang sering diabaikan, tetap diperlukan dalam ilmu alam. [112] Pengumpulan data yang sistematis, termasuk ilmu penemuan, sejarah alam berhasil, yang muncul pada abad ke-16 dengan menggambarkan dan mengklasifikasikan tumbuhan, hewan, mineral, dan sebagainya. [113] Hari ini, "sejarah alam" menyarankan deskripsi observasional yang ditujukan untuk khalayak populer. [114]

    Ilmu kemasyarakatan

    Ilmu sosial adalah studi tentang perilaku manusia dan fungsi masyarakat. [20] [21] Ini memiliki banyak disiplin ilmu yang mencakup, tetapi tidak terbatas pada antropologi, ekonomi, sejarah, geografi manusia, ilmu politik, psikologi, dan sosiologi. [20] Dalam ilmu sosial, ada banyak perspektif teoretis yang bersaing, banyak di antaranya diperluas melalui program penelitian yang bersaing seperti fungsionalis, teori konflik, dan interaksionis dalam sosiologi. [20] Karena keterbatasan melakukan eksperimen terkontrol yang melibatkan kelompok besar individu atau situasi yang kompleks, ilmuwan sosial dapat mengadopsi metode penelitian lain seperti metode sejarah, studi kasus, dan studi lintas budaya.Selain itu, jika informasi kuantitatif tersedia, ilmuwan sosial dapat mengandalkan pendekatan statistik untuk lebih memahami hubungan dan proses sosial. [20]

    Ilmu formal

    Ilmu formal adalah bidang studi yang menghasilkan pengetahuan dengan menggunakan sistem formal. [115] [22] [23] Ini termasuk matematika, [116] [117] teori sistem, dan ilmu komputer teoretis. Ilmu-ilmu formal memiliki kesamaan dengan dua cabang lainnya dengan mengandalkan studi yang objektif, cermat, dan sistematis dari suatu bidang pengetahuan. Namun, mereka berbeda dari ilmu empiris karena mereka hanya mengandalkan penalaran deduktif, tanpa perlu bukti empiris, untuk memverifikasi konsep abstrak mereka. [27] [118] [111] Oleh karena itu, ilmu-ilmu formal adalah sebuah prioritas disiplin dan karena ini, ada ketidaksepakatan tentang apakah mereka benar-benar merupakan ilmu. [24] [26] Namun demikian, ilmu-ilmu formal memainkan peran penting dalam ilmu empiris. Kalkulus, misalnya, pada awalnya diciptakan untuk memahami gerak dalam fisika. [119] Ilmu-ilmu alam dan sosial yang sangat bergantung pada aplikasi matematika termasuk fisika matematika, kimia matematika, biologi matematika, keuangan matematika, dan ekonomi matematika.

    Ilmu pengetahuan praktis

    Sains terapan adalah penggunaan metode dan pengetahuan ilmiah untuk mencapai tujuan praktis dan mencakup berbagai disiplin ilmu seperti teknik dan kedokteran. [28] [29] [30] [31] [32] Teknik adalah penggunaan prinsip-prinsip ilmiah untuk merancang dan membangun mesin, struktur, dan barang-barang lainnya, termasuk jembatan, terowongan, jalan, kendaraan, dan bangunan. [120] Teknik itu sendiri mencakup berbagai bidang teknik yang lebih khusus, masing-masing dengan penekanan yang lebih spesifik pada bidang tertentu matematika terapan, sains, dan jenis aplikasi. Kedokteran adalah praktik merawat pasien dengan memelihara dan memulihkan kesehatan melalui pencegahan, diagnosis, dan pengobatan cedera atau penyakit. [121] [122] [123] [124] Kedokteran kontemporer menerapkan ilmu biomedis, penelitian medis, genetika, dan teknologi medis untuk mencegah, mendiagnosis, dan mengobati cedera dan penyakit, biasanya melalui penggunaan obat-obatan, peralatan medis, pembedahan, dan intervensi nonfarmakologis. Ilmu-ilmu terapan sering dikontraskan dengan ilmu-ilmu dasar, yang berfokus pada memajukan teori-teori dan hukum-hukum ilmiah yang menjelaskan dan memprediksi peristiwa-peristiwa di alam.

    Penelitian ilmiah dapat dilabeli sebagai penelitian dasar atau penelitian terapan. Penelitian dasar adalah pencarian pengetahuan dan penelitian terapan adalah pencarian solusi untuk masalah praktis dengan menggunakan pengetahuan ini. Meskipun beberapa penelitian ilmiah adalah penelitian terapan untuk masalah-masalah tertentu, sebagian besar pemahaman kita berasal dari penelitian dasar yang didorong oleh rasa ingin tahu. Hal ini menyebabkan pilihan untuk kemajuan teknologi yang tidak direncanakan atau bahkan kadang-kadang dibayangkan. Hal ini dikemukakan oleh Michael Faraday ketika diduga menanggapi pertanyaan "apa itu? menggunakan penelitian dasar?" dia menjawab: "Tuan, apa gunanya seorang anak yang baru lahir?". [125] Misalnya, penelitian tentang efek lampu merah pada sel batang mata manusia tampaknya tidak praktis. tujuan akhirnya, penemuan bahwa penglihatan malam kita tidak terganggu oleh lampu merah akan mengarahkan tim pencarian dan penyelamatan (antara lain) untuk mengadopsi lampu merah di kokpit jet dan helikopter.[126] Akhirnya, bahkan penelitian dasar pun dapat berubah secara tak terduga, dan ada beberapa pengertian di mana metode ilmiah dibangun untuk memanfaatkan keberuntungan.

    Metode ilmiah

    Penelitian ilmiah melibatkan penggunaan metode ilmiah, yang berusaha menjelaskan secara objektif peristiwa alam dengan cara yang dapat direproduksi. [128] Eksperimen atau hipotesis pemikiran penjelas diajukan sebagai penjelasan menggunakan prinsip-prinsip seperti kekikiran (juga dikenal sebagai "Pisau Occam") dan umumnya diharapkan untuk mencari kesesuaian - cocok dengan fakta lain yang diterima terkait dengan fenomena tersebut. [129] Penjelasan baru ini digunakan untuk membuat prediksi yang dapat dipalsukan yang dapat diuji melalui eksperimen atau pengamatan. Prediksi harus diposting sebelum percobaan atau pengamatan yang dikonfirmasi dilakukan, sebagai bukti bahwa tidak ada gangguan yang terjadi. Penyangkalan prediksi adalah bukti kemajuan. [e] [f] [128] [130] Hal ini dilakukan sebagian melalui pengamatan fenomena alam, tetapi juga melalui eksperimen yang mencoba untuk mensimulasikan peristiwa alam di bawah kondisi terkendali yang sesuai dengan disiplin (dalam ilmu observasional, seperti astronomi atau geologi, pengamatan yang diprediksi dapat menggantikan eksperimen terkontrol). Eksperimen sangat penting dalam sains untuk membantu membangun hubungan sebab akibat (untuk menghindari kesalahan korelasi).

    Ketika sebuah hipotesis terbukti tidak memuaskan, hipotesis itu dimodifikasi atau dibuang. [131] Jika hipotesis selamat dari pengujian, hipotesis itu dapat diadopsi ke dalam kerangka teori ilmiah, model atau kerangka kerja yang beralasan secara logis dan konsisten untuk menggambarkan perilaku fenomena alam tertentu. Sebuah teori biasanya menggambarkan perilaku kumpulan fenomena yang jauh lebih luas daripada hipotesis pada umumnya, sejumlah besar hipotesis dapat secara logis diikat bersama oleh satu teori. Dengan demikian teori adalah hipotesis yang menjelaskan berbagai hipotesis lainnya. Dalam nada itu, teori dirumuskan menurut sebagian besar prinsip ilmiah yang sama dengan hipotesis. Selain menguji hipotesis, ilmuwan juga dapat menghasilkan model, upaya untuk menggambarkan atau menggambarkan fenomena dalam hal representasi logis, fisik atau matematis dan untuk menghasilkan hipotesis baru yang dapat diuji, berdasarkan fenomena yang dapat diamati. [132]

    Saat melakukan eksperimen untuk menguji hipotesis, para ilmuwan mungkin memiliki preferensi untuk satu hasil daripada yang lain, dan oleh karena itu penting untuk memastikan bahwa sains secara keseluruhan dapat menghilangkan bias ini. [133] [134] Hal ini dapat dicapai dengan desain eksperimen yang cermat, transparansi, dan proses peer review yang menyeluruh dari hasil eksperimen serta kesimpulan apa pun. [135] [136] Setelah hasil eksperimen diumumkan atau dipublikasikan, merupakan praktik normal bagi peneliti independen untuk memeriksa ulang bagaimana penelitian dilakukan, dan menindaklanjutinya dengan melakukan eksperimen serupa untuk menentukan seberapa dapat diandalkannya hasil tersebut. . [137] Secara keseluruhan, metode ilmiah memungkinkan pemecahan masalah yang sangat kreatif sambil meminimalkan efek bias subjektif pada bagian penggunanya (terutama bias konfirmasi). [138]

    Verifikasi

    John Ziman menunjukkan bahwa verifikasi intersubjektif adalah dasar untuk penciptaan semua pengetahuan ilmiah. [139] Ziman menunjukkan bagaimana para ilmuwan dapat mengidentifikasi pola satu sama lain selama berabad-abad. Dia menyebut kemampuan ini sebagai "kesadaran persepsi." [139] Dia kemudian membuat kepekaan, yang mengarah pada konsensus, batu ujian pengetahuan yang dapat diandalkan. [140]

    Peran matematika

    Matematika sangat penting dalam pembentukan hipotesis, teori, dan hukum [141] dalam ilmu alam dan sosial. Misalnya, digunakan dalam pemodelan ilmiah kuantitatif, yang dapat menghasilkan hipotesis dan prediksi baru untuk diuji. Hal ini juga digunakan secara luas dalam mengamati dan mengumpulkan pengukuran. Statistik, cabang matematika, digunakan untuk meringkas dan menganalisis data, yang memungkinkan para ilmuwan untuk menilai keandalan dan variabilitas hasil eksperimen mereka.

    Ilmu komputasi menerapkan kekuatan komputasi untuk mensimulasikan situasi dunia nyata, memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang masalah ilmiah daripada matematika formal saja yang dapat dicapai. Menurut Society for Industrial and Applied Mathematics, komputasi sekarang sama pentingnya dengan teori dan eksperimen dalam memajukan pengetahuan ilmiah. [142]

    Filsafat ilmu

    Para ilmuwan biasanya menerima begitu saja seperangkat asumsi dasar yang diperlukan untuk membenarkan metode ilmiah: (1) bahwa ada realitas objektif yang dimiliki oleh semua pengamat rasional (2) bahwa realitas objektif ini diatur oleh hukum-hukum alam (3) bahwa ini hukum dapat ditemukan melalui pengamatan sistematis dan eksperimen. [3] Filsafat ilmu mencari pemahaman mendalam tentang apa arti asumsi yang mendasari ini dan apakah asumsi itu valid.

    Keyakinan bahwa teori-teori ilmiah harus dan memang mewakili realitas metafisik dikenal sebagai realisme. Ini dapat dikontraskan dengan anti-realisme, pandangan bahwa keberhasilan sains tidak bergantung pada keakuratannya tentang entitas yang tidak dapat diamati seperti elektron. Salah satu bentuk anti-realisme adalah idealisme, keyakinan bahwa pikiran atau kesadaran adalah esensi paling dasar, dan bahwa setiap pikiran menghasilkan realitasnya sendiri. [g] Dalam pandangan dunia yang idealis, apa yang benar untuk satu pikiran belum tentu benar untuk pikiran lain.

    Ada berbagai aliran pemikiran dalam filsafat ilmu. Posisi yang paling populer adalah empirisme, [h] yang menyatakan bahwa pengetahuan diciptakan oleh proses yang melibatkan pengamatan dan teori-teori ilmiah adalah hasil dari generalisasi dari pengamatan tersebut. [143] Empirisme umumnya mencakup induktivisme, posisi yang mencoba menjelaskan cara teori umum dapat dibenarkan oleh jumlah terbatas pengamatan manusia dapat membuat dan karenanya jumlah terbatas bukti empiris yang tersedia untuk mengkonfirmasi teori-teori ilmiah. Hal ini diperlukan karena jumlah prediksi yang dibuat oleh teori-teori tersebut tidak terbatas, yang berarti bahwa mereka tidak dapat diketahui dari jumlah bukti yang terbatas dengan menggunakan logika deduktif saja. Banyak versi empirisme ada, dengan yang dominan adalah Bayesianisme [144] dan metode hipotetis-deduktif. [143]

    Empirisme telah berdiri kontras dengan rasionalisme, posisi awalnya terkait dengan Descartes, yang menyatakan bahwa pengetahuan diciptakan oleh intelek manusia, bukan dengan pengamatan. [145] Rasionalisme kritis adalah pendekatan abad ke-20 yang kontras dengan sains, yang pertama kali didefinisikan oleh filsuf Austria-Inggris Karl Popper. Popper menolak cara empirisme menggambarkan hubungan antara teori dan observasi. Dia mengklaim bahwa teori tidak dihasilkan oleh observasi, tetapi observasi dibuat berdasarkan teori dan bahwa satu-satunya cara sebuah teori dapat dipengaruhi oleh observasi adalah ketika teori tersebut bertentangan dengannya. [146] Popper mengusulkan penggantian verifiability dengan falsifiability sebagai tonggak teori ilmiah dan mengganti induksi dengan falsifikasi sebagai metode empiris. [146] Popper lebih lanjut mengklaim bahwa sebenarnya hanya ada satu metode universal, tidak khusus untuk sains: metode negatif kritik, coba-coba. [147] Ini mencakup semua produk pikiran manusia, termasuk sains, matematika, filsafat, dan seni. [148]

    Pendekatan lain, instrumentalisme, menekankan kegunaan teori sebagai instrumen untuk menjelaskan dan memprediksi fenomena. [149] Ia memandang teori-teori ilmiah sebagai kotak hitam dengan hanya masukan (kondisi awal) dan keluaran (prediksi) yang relevan. Konsekuensi, entitas teoretis, dan struktur logis diklaim sebagai sesuatu yang seharusnya diabaikan dan para ilmuwan tidak boleh mempermasalahkannya (lihat interpretasi mekanika kuantum). Dekat dengan instrumentalisme adalah empirisme konstruktif, yang menurutnya kriteria utama untuk keberhasilan teori ilmiah adalah apakah apa yang dikatakan tentang entitas yang dapat diamati itu benar.

    Thomas Kuhn berpendapat bahwa proses observasi dan evaluasi berlangsung dalam sebuah paradigma, sebuah "potret" dunia yang konsisten secara logis yang konsisten dengan observasi yang dibuat dari pembingkaiannya. Dia mencirikan ilmu biasa sebagai proses pengamatan dan “pemecahan teka-teki” yang berlangsung dalam suatu paradigma, sedangkan ilmu revolusioner terjadi ketika satu paradigma menyalip yang lain dalam pergeseran paradigma. [150] Setiap paradigma memiliki pertanyaan, tujuan, dan interpretasinya sendiri yang berbeda. Pilihan antara paradigma melibatkan pengaturan dua atau lebih "potret" terhadap dunia dan memutuskan kemiripan mana yang paling menjanjikan. Pergeseran paradigma terjadi ketika sejumlah besar anomali pengamatan muncul dalam paradigma lama dan paradigma baru masuk akal. Artinya, pilihan paradigma baru didasarkan pada pengamatan, meskipun pengamatan tersebut dilakukan dengan latar belakang paradigma lama. Bagi Kuhn, penerimaan atau penolakan suatu paradigma adalah proses sosial sekaligus proses logis. Posisi Kuhn, bagaimanapun, bukanlah salah satu relativisme. [151]

    Akhirnya, pendekatan lain yang sering dikutip dalam perdebatan skeptisisme ilmiah terhadap gerakan kontroversial seperti "ilmu penciptaan" adalah naturalisme metodologis. Poin utamanya adalah bahwa perbedaan antara penjelasan alami dan supernatural harus dibuat dan sains harus dibatasi secara metodologis pada penjelasan alami. [152] [i] Bahwa pembatasan itu semata-mata metodologis (bukan ontologis) berarti bahwa sains tidak boleh mempertimbangkan penjelasan supernatural itu sendiri, tetapi juga tidak boleh mengklaim mereka salah. Sebaliknya, penjelasan supernatural harus dibiarkan menjadi masalah kepercayaan pribadi di luar lingkup sains. Naturalisme metodologis menyatakan bahwa sains yang tepat membutuhkan kepatuhan yang ketat pada studi empiris dan verifikasi independen sebagai proses untuk mengembangkan dan mengevaluasi penjelasan untuk fenomena yang dapat diamati dengan benar. [153] Tidak adanya standar ini, argumen dari otoritas, studi observasional bias dan kesalahan umum lainnya sering dikutip oleh pendukung naturalisme metodologis sebagai karakteristik non-sains yang mereka kritik.

    Kepastian dan ilmu pengetahuan

    Sebuah teori ilmiah adalah empiris [h] [154] dan selalu terbuka untuk pemalsuan jika bukti baru disajikan. Artinya, tidak ada teori yang pernah dianggap benar-benar pasti karena sains menerima konsep fallibilisme. [j] Filsuf ilmu pengetahuan Karl Popper dengan tajam membedakan kebenaran dari kepastian. Dia menulis bahwa pengetahuan ilmiah "terdiri dari pencarian kebenaran," tetapi "bukan pencarian kepastian. Semua pengetahuan manusia bisa salah dan karena itu tidak pasti." [155]

    Pengetahuan ilmiah baru jarang menghasilkan perubahan besar dalam pemahaman kita. Menurut psikolog Keith Stanovich, mungkin penggunaan kata-kata seperti "terobosan" yang berlebihan di media yang membuat publik membayangkan bahwa sains terus-menerus membuktikan semua yang dianggap benar sebagai salah. [126] Meskipun ada kasus terkenal seperti teori relativitas yang membutuhkan rekonseptualisasi lengkap, ini adalah pengecualian ekstrim. Pengetahuan dalam sains diperoleh dengan sintesis bertahap informasi dari berbagai eksperimen oleh berbagai peneliti di berbagai cabang sains. Ini lebih seperti pendakian daripada lompatan. [126] Teori bervariasi dalam sejauh mana mereka telah diuji dan diverifikasi, serta penerimaan mereka dalam komunitas ilmiah. [k] Misalnya, teori heliosentris, teori evolusi, teori relativitas, dan teori kuman masih menyandang nama "teori" meskipun dalam praktiknya dianggap faktual. [156] Filsuf Barry Stroud menambahkan bahwa, meskipun definisi terbaik untuk "pengetahuan" diperdebatkan, bersikap skeptis dan menghibur kemungkinan bahwa yang salah cocok dengan yang benar. Oleh karena itu, para ilmuwan yang mengikuti pendekatan ilmiah yang tepat akan meragukan diri mereka sendiri bahkan setelah mereka memiliki kebenaran. [157] The fallibilist CS Peirce berpendapat bahwa penyelidikan adalah perjuangan untuk menyelesaikan keraguan yang sebenarnya dan bahwa keraguan hanya pertengkaran, verbal, atau hiperbolik tidak ada gunanya [158] - tetapi juga bahwa penyelidik harus mencoba untuk mencapai keraguan yang tulus daripada bersandar secara tidak kritis pada kesamaan nalar. [159] Dia berpendapat bahwa ilmu pengetahuan yang sukses tidak mempercayai rantai inferensi tunggal (tidak lebih kuat dari mata rantai terlemahnya) tetapi pada kabel banyak dan berbagai argumen yang terhubung erat. [160]

    Stanovich juga menegaskan bahwa sains menghindari pencarian "peluru ajaib" itu menghindari kesalahan penyebab tunggal. Ini berarti seorang ilmuwan tidak akan bertanya hanya "Apa itu? NS karena . ", melainkan "Apa adalah yang paling signifikan penyebab dari . ". Hal ini terutama terjadi di bidang ilmu yang lebih makroskopik (misalnya psikologi, kosmologi fisik). [126] Penelitian sering menganalisis beberapa faktor sekaligus, tetapi ini selalu ditambahkan ke daftar panjang faktor yang paling penting untuk dipertimbangkan [126] Misalnya, mengetahui rincian hanya genetika seseorang, atau sejarah dan pendidikan mereka, atau situasi saat ini mungkin tidak menjelaskan perilaku, tetapi pemahaman yang mendalam dari semua variabel gabungan ini bisa sangat prediktif.

    Literatur ilmiah

    Penelitian ilmiah diterbitkan dalam sejumlah besar literatur ilmiah. [161] Jurnal ilmiah mengkomunikasikan dan mendokumentasikan hasil penelitian yang dilakukan di universitas dan berbagai lembaga penelitian lainnya, berfungsi sebagai catatan arsip ilmu pengetahuan. Jurnal ilmiah pertama, Jurnal des Sçavans diikuti oleh Transaksi Filosofis, mulai diterbitkan pada tahun 1665. Sejak saat itu jumlah total majalah yang aktif terus meningkat. Pada tahun 1981, satu perkiraan untuk jumlah jurnal ilmiah dan teknis yang diterbitkan adalah 11.500. [162] Perpustakaan Kedokteran Nasional Amerika Serikat saat ini mengindeks 5.516 jurnal yang berisi artikel tentang topik yang berkaitan dengan ilmu kehidupan. Meskipun jurnal dalam 39 bahasa, 91 persen artikel yang diindeks diterbitkan dalam bahasa Inggris. [163]

    Sebagian besar jurnal ilmiah mencakup satu bidang ilmiah dan mempublikasikan penelitian dalam bidang itu, penelitian biasanya dinyatakan dalam bentuk makalah ilmiah. Ilmu pengetahuan telah menjadi begitu meresap dalam masyarakat modern sehingga pada umumnya dianggap perlu untuk mengkomunikasikan pencapaian, berita, dan ambisi para ilmuwan kepada masyarakat yang lebih luas.

    Majalah sains seperti: Ilmuwan Baru, Sains & Video, dan Amerika ilmiah memenuhi kebutuhan pembaca yang jauh lebih luas dan memberikan ringkasan non-teknis dari bidang penelitian populer, termasuk penemuan dan kemajuan penting dalam bidang penelitian tertentu. Buku-buku sains menarik minat lebih banyak orang. Secara tangensial, genre fiksi ilmiah, terutama yang bersifat fantastis, melibatkan imajinasi publik dan mentransmisikan ide-ide, jika bukan metode, sains.

    Upaya terbaru untuk mengintensifkan atau mengembangkan hubungan antara ilmu pengetahuan dan disiplin non-ilmiah seperti sastra atau lebih khusus puisi, termasuk Ilmu Menulis Kreatif sumber daya yang dikembangkan melalui Royal Literary Fund. [164]

    Dampak praktis

    Penemuan dalam ilmu dasar dapat mengubah dunia. Sebagai contoh:

    Riset Dampak
    Listrik statis dan magnet (c. 1600)
    Arus listrik (abad ke-18)
    Semua peralatan listrik, dinamo, pembangkit tenaga listrik, elektronik modern, termasuk penerangan listrik, televisi, pemanas listrik, stimulasi magnetik transkranial, stimulasi otak dalam, pita magnetik, pengeras suara, dan kompas dan penangkal petir.
    Difraksi (1665) Optik, maka kabel serat optik (1840-an), komunikasi antarbenua modern, dan TV kabel dan internet.
    Teori Kuman (1700) Kebersihan, yang mengarah pada penurunan transmisi antibodi penyakit menular, yang mengarah pada teknik diagnosis penyakit dan terapi antikanker yang ditargetkan.
    Vaksinasi (1798) Memimpin penghapusan sebagian besar penyakit menular dari negara maju dan pemberantasan cacar di seluruh dunia.
    Efek fotovoltaik (1839) Sel surya (1883), maka tenaga surya, jam tangan bertenaga surya, kalkulator dan perangkat lainnya.
    Orbit aneh Merkurius (1859) dan penelitian lainnya
    mengarah ke khusus (1905) dan relativitas umum (1916)
    Teknologi berbasis satelit seperti GPS (1973), satnav dan komunikasi satelit. [l]
    Gelombang radio (1887) Radio telah digunakan dalam banyak cara di luar bidang telepon yang lebih terkenal, dan menyiarkan televisi (1927) dan hiburan radio (1906). Kegunaan lain termasuk – layanan darurat, radar (navigasi dan prediksi cuaca), kedokteran, astronomi, komunikasi nirkabel, geofisika, dan jaringan. Gelombang radio juga mengarahkan peneliti ke frekuensi yang berdekatan seperti gelombang mikro, yang digunakan di seluruh dunia untuk memanaskan dan memasak makanan.
    Radioaktivitas (1896) dan antimateri (1932) Perawatan kanker (1896), Penanggalan radiometrik (1905), reaktor nuklir (1942) dan senjata (1945), eksplorasi mineral, pemindaian PET (1961), dan penelitian medis (melalui pelabelan isotop).
    Sinar-X (1896) Pencitraan medis, termasuk computed tomography.
    Kristalografi dan mekanika kuantum (1900) Perangkat semikonduktor (1906), maka komputasi dan telekomunikasi modern termasuk integrasi dengan perangkat nirkabel: telepon seluler, [l] lampu LED dan laser.
    Plastik (1907) Dimulai dengan Bakelite, berbagai jenis polimer buatan untuk berbagai aplikasi dalam industri dan kehidupan sehari-hari.
    Antibiotik (1880-an, 1928) Salvarsan, Penisilin, doksisiklin, dll.
    Resonansi magnetik nuklir (1930-an) Spektroskopi resonansi magnetik nuklir (1946), pencitraan resonansi magnetik (1971), pencitraan resonansi magnetik fungsional (1990-an).

    Tantangan

    Krisis replikasi

    Krisis replikasi adalah krisis metodologis yang sedang berlangsung terutama mempengaruhi bagian-bagian dari ilmu sosial dan kehidupan di mana para sarjana telah menemukan bahwa hasil dari banyak studi ilmiah sulit atau tidak mungkin untuk direplikasi atau direproduksi pada penyelidikan berikutnya, baik oleh peneliti independen atau oleh peneliti asli. diri. [165] [166] Krisis memiliki akar yang lama, frasa ini diciptakan pada awal 2010-an [167] sebagai bagian dari kesadaran yang berkembang akan masalah tersebut. Krisis replikasi mewakili badan penelitian penting dalam metasains, yang bertujuan untuk meningkatkan kualitas semua penelitian ilmiah sekaligus mengurangi pemborosan. [168]

    Ilmu pinggiran, pseudosains, dan ilmu sampah

    Area studi atau spekulasi yang menyamar sebagai sains dalam upaya untuk mengklaim legitimasi yang tidak dapat dicapainya kadang-kadang disebut sebagai pseudoscience, fringe science, atau junk science. [m] Fisikawan Richard Feynman menciptakan istilah "ilmu pemujaan kargo" untuk kasus-kasus di mana para peneliti percaya bahwa mereka melakukan sains karena aktivitas mereka tampak seperti sains tetapi sebenarnya tidak memiliki "kejujuran total" yang memungkinkan hasil mereka akurat. dievaluasi. [169] Berbagai jenis iklan komersial, mulai dari hype hingga penipuan, mungkin termasuk dalam kategori ini. Sains telah digambarkan sebagai "alat yang paling penting" untuk memisahkan klaim yang valid dari yang tidak valid. [170]

    Bisa juga ada unsur bias politik atau ideologis di semua sisi debat ilmiah. Kadang-kadang, penelitian dapat dicirikan sebagai "ilmu pengetahuan yang buruk", penelitian yang mungkin dimaksudkan dengan baik tetapi sebenarnya tidak benar, usang, tidak lengkap, atau eksposisi ide-ide ilmiah yang terlalu disederhanakan. Istilah "pelanggaran ilmiah" mengacu pada situasi seperti di mana peneliti dengan sengaja salah mengartikan data mereka yang dipublikasikan atau dengan sengaja memberikan penghargaan atas penemuan kepada orang yang salah. [171]

    Komunitas ilmiah adalah sekelompok ilmuwan yang berinteraksi, bersama dengan masyarakat dan institusi masing-masing.

    Ilmuwan

    Ilmuwan adalah individu yang melakukan penelitian ilmiah untuk memajukan pengetahuan di bidang yang diminati. [172] [173] Istilah ilmuwan diciptakan oleh William Whewell pada tahun 1833. Di zaman modern, banyak ilmuwan profesional dilatih dalam lingkungan akademik dan setelah selesai, mencapai gelar akademik, dengan gelar tertinggi adalah gelar doktor seperti Doctor of Philosophy (PhD). [174] Banyak ilmuwan mengejar karir di berbagai sektor ekonomi seperti akademisi, industri, pemerintah, dan organisasi nirlaba. [175] [176] [177]

    Para ilmuwan menunjukkan rasa ingin tahu yang kuat tentang kenyataan, dengan beberapa ilmuwan memiliki keinginan untuk menerapkan pengetahuan ilmiah untuk kepentingan kesehatan, bangsa, lingkungan, atau industri. Motivasi lain termasuk pengakuan oleh rekan-rekan mereka dan prestise. Hadiah Nobel, penghargaan bergengsi yang diakui secara luas, [178] diberikan setiap tahun kepada mereka yang telah mencapai kemajuan ilmiah di bidang kedokteran, fisika, kimia, dan ekonomi.

    Wanita dalam sains

    Sains secara historis merupakan bidang yang didominasi laki-laki, dengan beberapa pengecualian. [n] Perempuan menghadapi diskriminasi yang cukup besar dalam sains, seperti yang mereka lakukan di bidang lain dari masyarakat yang didominasi laki-laki, seperti sering dilewatkan untuk mendapatkan kesempatan kerja dan ditolak penghargaan atas pekerjaan mereka. [o] Sebagai contoh, Christine Ladd (1847–1930) dapat memasuki gelar Ph.D. program sebagai "C. Ladd" Christine "Kitty" Ladd menyelesaikan persyaratan pada tahun 1882, tetapi dianugerahi gelarnya hanya pada tahun 1926, setelah karir yang membentang aljabar logika (lihat tabel kebenaran), penglihatan warna, dan psikologi. Karyanya mendahului peneliti terkenal seperti Ludwig Wittgenstein dan Charles Sanders Peirce. Prestasi perempuan dalam ilmu pengetahuan telah dikaitkan dengan pembangkangan peran tradisional mereka sebagai buruh dalam lingkup domestik. [180]

    Pada akhir abad ke-20, perekrutan aktif perempuan dan penghapusan diskriminasi institusional berdasarkan jenis kelamin sangat meningkatkan jumlah ilmuwan wanita, tetapi kesenjangan gender yang besar tetap ada di beberapa bidang di awal abad ke-21 lebih dari setengah ahli biologi baru adalah perempuan, sementara 80% PhD dalam fisika diberikan kepada laki-laki. [ kutipan diperlukan ] Pada awal abad ke-21, perempuan di Amerika Serikat memperoleh 50,3% gelar sarjana, 45,6% gelar master, dan 40,7% PhD di bidang sains dan teknik. Mereka memperoleh lebih dari setengah gelar dalam bidang psikologi (sekitar 70%), ilmu sosial (sekitar 50%), dan biologi (sekitar 50–60%) tetapi memperoleh kurang dari setengah gelar dalam ilmu fisika, ilmu bumi, matematika, teknik, dan ilmu komputer. [181] Pilihan gaya hidup juga memainkan peran utama dalam keterlibatan perempuan dalam sains. Perempuan dengan anak kecil 28% lebih kecil kemungkinannya untuk mengambil posisi jalur tenurial karena masalah keseimbangan kehidupan kerja, [182] dan minat mahasiswa pascasarjana perempuan dalam karir di bidang penelitian menurun secara dramatis selama sekolah pascasarjana, sedangkan rekan laki-laki mereka tetap tidak berubah. [183]

    Masyarakat terpelajar

    Masyarakat terpelajar untuk komunikasi dan promosi pemikiran ilmiah dan eksperimen telah ada sejak Renaisans. [184] Banyak ilmuwan termasuk dalam masyarakat terpelajar yang mempromosikan disiplin ilmu, profesi, atau kelompok disiplin terkait masing-masing. [185] Keanggotaan mungkin terbuka untuk semua, mungkin memerlukan kepemilikan beberapa kredensial ilmiah, atau mungkin suatu kehormatan yang diberikan melalui pemilihan. [186] Sebagian besar masyarakat ilmiah adalah organisasi nirlaba, dan banyak yang merupakan asosiasi profesional. Kegiatan mereka biasanya termasuk mengadakan konferensi reguler untuk presentasi dan diskusi hasil penelitian baru dan penerbitan atau mensponsori jurnal akademik dalam disiplin mereka. Beberapa juga bertindak sebagai badan profesional, mengatur kegiatan anggotanya untuk kepentingan umum atau kepentingan kolektif anggota. Sarjana sosiologi ilmu [ siapa? ] berpendapat bahwa masyarakat terpelajar adalah kunci penting dan pembentukan mereka membantu dalam munculnya dan pengembangan disiplin ilmu atau profesi baru.

    Profesionalisasi sains, yang dimulai pada abad ke-19, sebagian dimungkinkan oleh pembentukan akademi sains terkemuka di sejumlah negara seperti Italia. Accademia dei Lincei pada 1603, [187] British Royal Society pada 1660, Prancis Académie des Sciences pada tahun 1666, [188] Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Amerika pada tahun 1863, Institut Kaiser Wilhelm Jerman pada tahun 1911, dan Akademi Ilmu Pengetahuan China pada tahun 1928. Organisasi ilmiah internasional, seperti Dewan Internasional untuk Sains, telah dibentuk untuk mempromosikan kerjasama antara komunitas ilmiah dari berbagai negara.

    Kebijakan sains

    Kebijakan sains adalah bidang kebijakan publik yang berkaitan dengan kebijakan yang mempengaruhi pelaksanaan usaha ilmiah, termasuk pendanaan penelitian, sering kali dalam mengejar tujuan kebijakan nasional lainnya seperti inovasi teknologi untuk mempromosikan pengembangan produk komersial, pengembangan senjata, perawatan kesehatan, dan pemantauan lingkungan. Kebijakan sains juga mengacu pada tindakan menerapkan pengetahuan dan konsensus ilmiah untuk pengembangan kebijakan publik. Kebijakan sains dengan demikian berhubungan dengan seluruh domain masalah yang melibatkan ilmu-ilmu alam. Sesuai dengan kebijakan publik yang memperhatikan kesejahteraan warganya, tujuan kebijakan sains adalah untuk mempertimbangkan bagaimana sains dan teknologi dapat melayani publik dengan sebaik-baiknya.

    Kebijakan negara telah mempengaruhi pendanaan pekerjaan umum dan ilmu pengetahuan selama ribuan tahun, terutama dalam peradaban dengan pemerintahan yang sangat terorganisir seperti kekaisaran Cina dan Kekaisaran Romawi. Contoh sejarah yang menonjol termasuk Tembok Besar Tiongkok, yang diselesaikan selama dua milenium melalui dukungan negara dari beberapa dinasti, dan Kanal Besar Sungai Yangtze, prestasi besar teknik hidrolik yang dimulai oleh Sunshu Ao (孫叔敖 7th c. SM ), Ximen Bao (西門豹 5 SM), dan Shi Chi (4 SM). Konstruksi ini berasal dari abad ke-6 SM di bawah Dinasti Sui dan masih digunakan sampai sekarang. Di Cina, infrastruktur yang didukung negara dan proyek penelitian ilmiah setidaknya berasal dari zaman Mohist, yang mengilhami studi logika selama periode Seratus Aliran Pemikiran dan studi tentang benteng pertahanan seperti Tembok Besar China selama periode Negara-negara Berperang.

    Kebijakan publik dapat secara langsung mempengaruhi pendanaan peralatan modal dan infrastruktur intelektual untuk penelitian industri dengan memberikan insentif pajak kepada organisasi-organisasi yang mendanai penelitian. Vannevar Bush, direktur Kantor Penelitian dan Pengembangan Ilmiah untuk pemerintah Amerika Serikat, cikal bakal National Science Foundation, menulis pada Juli 1945 bahwa "Ilmu pengetahuan adalah urusan pemerintah yang tepat." [189]

    Pendanaan ilmu pengetahuan

    Penelitian ilmiah sering didanai melalui proses kompetitif di mana proyek penelitian potensial dievaluasi dan hanya yang paling menjanjikan yang menerima dana. Proses semacam itu, yang dijalankan oleh pemerintah, perusahaan, atau yayasan, mengalokasikan dana yang langka. Total dana penelitian di sebagian besar negara maju adalah antara 1,5% dan 3% dari PDB. [190] Di OECD, sekitar dua pertiga penelitian dan pengembangan di bidang ilmiah dan teknis dilakukan oleh industri, dan masing-masing 20% ​​dan 10% oleh universitas dan pemerintah. Proporsi pendanaan pemerintah di industri tertentu lebih tinggi, dan mendominasi penelitian di bidang ilmu sosial dan humaniora. Demikian pula, dengan beberapa pengecualian (misalnya bioteknologi), pemerintah menyediakan sebagian besar dana untuk penelitian ilmiah dasar. Banyak pemerintah telah mendedikasikan badan untuk mendukung penelitian ilmiah. Organisasi ilmiah terkemuka termasuk National Science Foundation di Amerika Serikat, National Scientific and Technical Research Council di Argentina, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) di Australia, Pusat ilmu pengetahuan nasional de la recherche di Prancis, Max Planck Society dan Deutsche Forschungsgemeinschaft di Jerman, dan CSIC di Spanyol. Dalam penelitian dan pengembangan komersial, semua kecuali perusahaan yang paling berorientasi pada penelitian lebih fokus pada kemungkinan komersialisasi jangka pendek daripada ide atau teknologi "langit biru" (seperti fusi nuklir).

    Kesadaran masyarakat akan ilmu pengetahuan

    Kesadaran masyarakat terhadap sains berkaitan dengan sikap, perilaku, pendapat, dan aktivitas yang membentuk hubungan antara sains dan masyarakat umum. Ini mengintegrasikan berbagai tema dan kegiatan seperti komunikasi sains, museum sains, festival sains, pameran sains, sains warga, dan sains dalam budaya populer. Ilmuwan sosial telah merancang berbagai metrik untuk mengukur pemahaman publik tentang sains seperti pengetahuan faktual, pengetahuan yang dilaporkan sendiri, dan pengetahuan struktural. [191] [192]

    Jurnalisme sains

    Media massa menghadapi sejumlah tekanan yang dapat menghalangi mereka untuk secara akurat menggambarkan klaim ilmiah yang bersaing dalam hal kredibilitas mereka dalam komunitas ilmiah secara keseluruhan. Menentukan berapa banyak bobot untuk memberikan sisi yang berbeda dalam debat ilmiah mungkin memerlukan keahlian yang cukup mengenai masalah tersebut. [193] Hanya sedikit jurnalis yang memiliki pengetahuan ilmiah yang nyata, dan bahkan wartawan yang tahu banyak tentang masalah ilmiah tertentu mungkin tidak tahu tentang masalah ilmiah lain yang tiba-tiba diminta untuk mereka liput. [194] [195]

    Politisasi ilmu

    Politisasi ilmu pengetahuan terjadi ketika pemerintah, bisnis, atau kelompok advokasi menggunakan tekanan hukum atau ekonomi untuk mempengaruhi temuan penelitian ilmiah atau cara disebarluaskan, dilaporkan, atau ditafsirkan. Banyak faktor yang dapat berperan sebagai aspek politisasi sains seperti anti-intelektualisme populis, ancaman yang dirasakan terhadap keyakinan agama, subjektivisme postmodernis, dan ketakutan akan kepentingan bisnis. [198] Politisasi sains biasanya dicapai ketika informasi ilmiah disajikan dengan cara yang menekankan ketidakpastian yang terkait dengan bukti ilmiah. [199] Taktik seperti mengalihkan percakapan, gagal untuk mengakui fakta, dan memanfaatkan keraguan konsensus ilmiah telah digunakan untuk mendapatkan lebih banyak perhatian untuk pandangan yang telah dirusak oleh bukti ilmiah. [200] Contoh masalah yang melibatkan politisasi ilmu pengetahuan termasuk kontroversi pemanasan global, efek kesehatan dari pestisida, dan efek kesehatan dari tembakau. [200] [201]


    Kesimpulan

    Makalah ini mencoba menempatkan kehidupan dan kemunculannya dalam konteks fisikokimia umum. Setelah dihargai bahwa kehidupan muncul dari awal yang tidak bernyawa dalam proses yang terdefinisi dengan baik dengan kekuatan pendorong yang dapat diidentifikasi, tembok Cina yang entah bagaimana berhasil memisahkan dunia konseptual dari yang hidup dan yang tidak bernyawa, akhirnya dapat ditembus. Dunia biologis dan fisik berhubungan erat melalui proses. Ada proses, eksplisit dan fisikokimia didefinisikan, bahwa di bawah kondisi kontingen yang sesuai, mengarah dari kimia ke biologi sedemikian rupa sehingga dua dunia ini bergabung menjadi satu. Jadi, meskipun kehidupan adalah sistem kimia kompleks yang menunjukkan perilaku kinetik kompleks, perilaku kompleks itu dapat ditelusuri kembali ke sistem kimia yang mereproduksi sendiri yang dipertahankan jauh dari keseimbangan dan diarahkan oleh gaya penggerak kinetik. Sistem kimia yang mampu berevolusi ke arah peningkatan stabilitas kinetik dinamis – menuju kehidupan– perlu diberkahi dengan tiga sifat esensial. Mereka harus dapat mereproduksi diri mereka sendiri, strukturnya harus sesuai dengan kemungkinan variasi, dan mereka harus dipertahankan dalam keadaan dinamis yang jauh dari keadaan setimbang melalui pasokan energi yang terus-menerus. Seleksi kemudian menjadi konsekuensi yang tak terelakkan. Menurut teori Darwin, seleksilah yang mendorong evolusi. Namun, seleksi alam adalah proses yang sangat spesifik yang hanya berlaku untuk sebagian dari alam, dan tampaknya terlepas dari perilaku fisikokimia tradisional. Baik jarak dari ekuilibrium maupun maksimalisasi disipasi energi tidak merupakan kekuatan pendorong munculnya kehidupan, tetapi keduanya sesuai dengan kondisi perkembangannya untuk yang pertama dan manifestasi yang terkait dengan perilaku mereka untuk yang terakhir. Kekuatan pendorong yang sebenarnya untuk kehidupan dikaitkan dengan kekuatan pertumbuhan eksponensial yang diekspresikan oleh entitas yang mereproduksi diri. Selain itu, hipotesis proses auto-organisasi berdasarkan sifat kinetik entitas ini mengarah pada penilaian semikuantitatif dari kondisi lingkungan yang diperlukan untuk proses pengorganisasian mandiri, yang didasarkan pada proses kimia organik yang mapan. Sangat menarik untuk dicatat bahwa penilaian ini kompatibel dengan cahaya tampak sebagai sumber energi, dan suhu sedang, yang keduanya akan ditemukan di permukaan awal Bumi.

    Pendekatan terhadap sistem biologis yang berfokus pada kemunculannya dari sistem kimia memiliki beberapa konsekuensi yang jauh jangkauannya. Pandangan 𠇊utonomy biologi” tentang kehidupan [76], yang masih tertanam kuat dalam pemikiran ilmu kehidupan, perlu dinilai ulang karena melemahkan upaya untuk memahami esensi biologi yang lebih dalam. Fakta bahwa kimia hampir pasti berevolusi dari waktu ke waktu menjadi biologi adalah pernyataan paling jelas bahwa dunia fisik dan biologi hanyalah dua wilayah kontinum fisikokimia&biologis. Ini juga berarti bahwa pemahaman biologis dalam arti yang lebih dalam harus terletak pada fisika dan kimia. Realitas canggung bagi para ahli biologi – bahwa esensi biologi’s, yang disekresikan di dalam asal-usul fisikokimia itu sebagian besar terletak di luar subjek yang dimaksudkan untuk mempelajarinya.

    Akhirnya, memahami kehidupan sebagai proses kinetik yang kompleks memungkinkan ditarik kesimpulan mengenai pandangan yang dipegang secara luas bahwa kehidupan, kemunculan dan evolusinya, dapat dipahami sebagai fenomena termodinamika. Kami percaya bahwa sekarang ada bukti jelas yang menentang sudut pandang termodinamika itu (meskipun proses kehidupan pasti terikat oleh batasan termodinamika). Poin-poin kunci dalam mendukung paradigma kinetik dapat diringkas sebagai berikut:

    1. Sel, unit dasar biologi, telah berevolusi dari awal kimia yang lebih sederhana untuk meminimalkan disipasi energi, bukan untuk memaksimalkannya. Ini tercermin dalam efisiensi luar biasa dari peralatan reproduksi sel yang telah berevolusi untuk memaksimalkan reproduksi, bukan disipasi energi.

    2. Sedangkan proses evolusi menuju peningkatan kompleksitas adalah fenomena yang diamati secara luas, transisi ke keadaan yang lebih kompleks dapat menyebabkan pengurangan disipasi energi, seperti yang diungkapkan dalam berbagai situasi eksperimental [37] serta dalam simulasi kinetik yang dijelaskan dalam makalah ini.Adanya pengecualian yang jelas terhadap pandangan disipasi energi kehidupan mempertanyakan validitas paradigma termodinamika umum.

    3. Jalur kinetik tidak dapat, sebagai aturan umum, disimpulkan dari faktor termodinamika. Setiap dua keadaan termodinamika berpotensi dihubungkan oleh jumlah jalur kinetik yang tak terbatas dan informasi ekstra-termodinamika diperlukan untuk menyimpulkan jalur mana yang diikuti dalam kasus tertentu. Mengingat bahwa semua sistem replikatif persisten pada dasarnya adalah keadaan tunak kinetik, maka proses evolusi yang didasarkan pada esensi replikatif itu juga harus bersifat kinetik. Dengan demikian, setiap proses yang diatur terutama oleh faktor-faktor kinetik tidak mungkin secara umum dapat dijelaskan dalam istilah termodinamika.

    Komentar penutup: untuk menjawab pertanyaan paling umum tentang kehidupan – misalnya, dapatkah kehidupan didasarkan pada kimia alternatif, bagaimana kita dapat mengidentifikasi bentuk kehidupan seperti itu – pemahaman yang lebih eksplisit secara kimiawi tentang apa itu kehidupan, adalah diperlukan. Pepatah terkenal Richard Feynman: 𠇊pa yang tidak dapat saya buat, saya tidak mengerti” menunjukkan jalan ke depan. Mengingat deskripsi fisikokimia yang tepat dari proses kehidupan yang disajikan di sini dan dalam publikasi sebelumnya, langkah-langkah kimia spesifik menuju sintesis sistem protolife sederhana sekarang ditunjukkan [54]. Tujuan ini, jika dan ketika tercapai, akan sangat membantu menjawab pertanyaan abadi 𠆊pa itu kehidupan’, serta menjawab pertanyaan ahistoris, bagaimana benda mati jenis apa pun dapat berevolusi menjadi kehidupan.


    Tonton videonya: Termodinamika-Entropi (Agustus 2022).