Hukum Ketiga Termodinamika: Definisi, Persamaan & Contoh

Hukum termodinamika membantu para ilmuwan memahami sistem termodinamika. Hukum ketiga mendefinisikan nol mutlak dan membantu menjelaskan bahwa entropi, atau ketidakteraturan, alam semesta menuju nilai konstan, bukan nol.

Entropi sering digambarkan dengan kata-kata sebagai ukuran jumlah ketidakteraturan dalam suatu sistem. Definisi ini pertama kali dikemukakan oleh Ludwig Boltzmann pada tahun 1877. Dia mendefinisikan entropi secara matematis seperti ini:

Dalam persamaan ini,kamuadalah jumlah keadaan mikro dalam sistem (atau jumlah cara sistem dapat dipesan),kadalah konstanta Boltzmann (yang diperoleh dengan membagi konstanta gas ideal dengan konstanta Avogadro: 1,380649 × 10⁻²³ J/K) danlnadalah logaritma natural (logaritma ke basise​).

Dua ide besar yang ditunjukkan dengan rumus ini adalah:

1. Entropi dapat dianggap sebagai panas, khususnya sebagai jumlah energi panas dalam sistem tertutup, yang tidak tersedia untuk melakukan pekerjaan yang berguna.
2. Semakin banyak keadaan mikro, atau cara memesan sistem, semakin banyak entropi yang dimiliki sistem.

Selain itu, perubahan entropi sistem saat berpindah dari satu keadaan makro ke keadaan makro lainnya dapat digambarkan sebagai:

dimanaTadalah suhu danQadalah panas yang dipertukarkan dalam proses reversibel saat sistem bergerak di antara dua keadaan.

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi total alam semesta atau sistem yang terisolasi tidak pernah berkurang. Dalam termodinamika, sistem terisolasi adalah sistem di mana baik panas maupun materi tidak dapat masuk atau keluar dari batas sistem.

Dengan kata lain, dalam setiap sistem yang terisolasi (termasuk alam semesta), perubahan entropi selalu nol atau positif. Pada dasarnya ini berarti bahwa proses acak cenderung mengarah pada lebih banyak ketidakteraturan daripada keteraturan.

Penekanan penting jatuh padacenderungbagian dari deskripsi itu. Proses acakbisamenyebabkan lebih banyak keteraturan daripada kekacauan tanpa melanggar hukum alam, tetapi kemungkinannya sangat kecil untuk terjadi.

Akhirnya, perubahan entropi untuk alam semesta secara keseluruhan akan sama dengan nol. Pada saat itu, alam semesta akan mencapai kesetimbangan termal, dengan semua energi dalam bentuk energi panas pada suhu tidak nol yang sama. Ini sering disebut sebagai kematian panas alam semesta.

Kebanyakan orang di seluruh dunia membahas suhu dalam derajat Celcius, sementara beberapa negara menggunakan skala Fahrenheit. Namun, para ilmuwan di mana-mana menggunakan Kelvin sebagai unit dasar pengukuran suhu absolut mereka.

Skala ini dibangun atas dasar fisik tertentu: Kelvin nol mutlak adalah suhu di mana semua gerakan molekul berhenti. Sejak panasaku sgerak molekul dalam pengertian yang paling sederhana, tidak ada gerak berarti tidak ada panas. Tidak ada panas berarti suhu nol Kelvin.

Perhatikan bahwa ini berbeda dari titik beku, seperti nol derajat Celcius – molekul es masih memiliki gerakan internal kecil yang terkait dengannya, juga dikenal sebagai panas. Perubahan fase antara padat, cair dan gas, bagaimanapun, menyebabkan perubahan besar dalam entropi sebagai kemungkinan untuk organisasi molekul yang berbeda, atau keadaan mikro, suatu zat tiba-tiba dan cepat meningkat atau menurun dengan suhu.

Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa ketika suhu mendekati nol mutlak dalam suatu sistem, entropi mutlak sistem mendekati nilai konstan. Ini benar dalam contoh terakhir, di mana sistemnya adalah seluruh alam semesta. Hal ini juga berlaku untuk sistem tertutup yang lebih kecil – terus mendinginkan balok es ke suhu yang lebih dingin dan lebih dingin akan memperlambat molekul internalnya. bergerak lebih dan lebih sampai mereka mencapai keadaan paling tidak teratur yang mungkin secara fisik, yang dapat dijelaskan dengan menggunakan nilai entropi yang konstan.

Kebanyakan perhitungan entropi berurusan dengan perbedaan entropi antara sistem atau keadaan sistem. Perbedaan dalam hukum ketiga termodinamika ini adalah bahwa hal itu mengarah pada nilai-nilai entropi yang terdefinisi dengan baik sebagai nilai pada skala Kelvin.

Untuk menjadi diam sempurna, molekul juga harus berada dalam susunan kristal yang paling stabil dan teratur, itulah sebabnya nol mutlak juga dikaitkan dengan kristal sempurna. Kisi atom seperti itu dengan hanya satu keadaan mikro tidak mungkin dalam kenyataan, tetapi konsepsi ideal ini mendukung hukum ketiga termodinamika dan konsekuensinya.

Sebuah kristal yang tidak tersusun sempurna akan memiliki beberapa kelainan bawaan (entropi) dalam strukturnya. Karena entropi juga dapat digambarkan sebagai energi panas, ini berarti entropi akan memiliki beberapa energi dalam bentuk panas – jadi, tentu sajatidaknol mutlak.

Meskipun kristal sempurna tidak ada di alam, analisis tentang bagaimana perubahan entropi sebagai pendekatan organisasi molekul mengungkapkan beberapa kesimpulan:

• Semakin kompleks suatu zat – katakanlah C₁₂H₂₂HAI₁₁ vs. H₂ – semakin banyak entropi yang dimilikinya, karena jumlah keadaan mikro yang mungkin meningkat seiring dengan kompleksitasnya.
• Zat dengan struktur molekul yang sama memiliki entropi yang sama.
• Struktur dengan atom yang lebih kecil, kurang energik dan ikatan yang lebih terarah, seperti ikatan hidrogen, memilikikurangentropi karena mereka memiliki struktur yang lebih kaku dan teratur.
  

Sementara para ilmuwan tidak pernah dapat mencapai nol mutlak dalam pengaturan laboratorium, mereka semakin dekat setiap saat. Ini masuk akal karena hukum ketiga menyarankan batas nilai entropi untuk sistem yang berbeda, yang mereka dekati saat suhu turun.

Yang paling penting, hukum ketiga menjelaskan kebenaran penting tentang alam: Setiap zat pada suhu yang lebih besar dari nol mutlak (dengan demikian, zat apa pun yang diketahui) harus memiliki jumlah entropi positif. Selanjutnya, karena mendefinisikan nol mutlak sebagai titik referensi, kita dapat menghitung jumlah energi relatif dari zat apa pun pada suhu berapa pun.

Ini adalah perbedaan utama dari pengukuran termodinamika lainnya, seperti energi atau entalpi, yang tidak memiliki titik referensi absolut. Nilai-nilai itu masuk akal hanya relatif terhadap nilai-nilai lain.

Menyatukan hukum kedua dan ketiga termodinamika mengarah pada kesimpulan bahwa pada akhirnya, karena semua energi di alam semesta berubah menjadi panas, ia akan mencapai suhu konstan. Disebut kesetimbangan termal, keadaan alam semesta ini tidak berubah, tetapi pada suhulebih tinggidari nol mutlak.

Hukum ketiga juga mendukung implikasi dari hukum pertama termodinamika. Hukum ini menyatakan bahwa perubahan energi internal untuk suatu sistem sama dengan perbedaan antara panas yang ditambahkan ke sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem:

Dimanakamuadalah energi, Qadalah panas danWadalah kerja, semua biasanya diukur dalam joule, Btus, atau kalori).

Rumus ini menunjukkan bahwa lebih banyak panas dalam suatu sistem berarti akan memiliki lebih banyak energi. Itu pada gilirannya berarti lebih banyak entropi. Pikirkan kristal sempurna pada nol mutlak – penambahan panas menyebabkan beberapa gerakan molekuler, dan strukturnya tidak lagi tertata sempurna; memiliki beberapa entropi.