Anda mungkin akrab dengan gagasan bahwa panas sepertinya selalu mengalir dari benda panas ke benda dingin, dan bukan sebaliknya. Selain itu, setelah mencampur dua bahan menjadi satu, keduanya tidak akan tercampur saat Anda terus mengaduknya.
Cangkir teh yang pecah tidak akan secara spontan dipasang kembali, dan susu yang tumpah dari botol tidak akan mudah diambil kembali. Alasan di balik semua fenomena ini berkaitan dengan hukum kedua termodinamika dan konsep yang disebut entropi.
Untuk memahami entropi dengan baik, Anda harus terlebih dahulu mengetahui beberapa konsep dasar mekanika statistik: keadaan mikro dan keadaan makro.
Keadaan Mikro dan Keadaan Makro
Dalam mekanika statistik, keadaan mikro adalah salah satu pengaturan yang mungkin (dan energi panas atau internal distribusi energi, jika berlaku) dari partikel dalam sistem tertutup yang mungkin terjadi dengan beberapa kemungkinan.
Salah satu contoh paling sederhana dari ini adalah dengan satu set koin dua sisi, yang dapat berupa kepala atau ekor. Jika ada dua koin identik, ada empat kemungkinan keadaan mikro dari sistem: koin 1 adalah kepala dan koin 2 adalah ekor, koin 1 adalah ekor dan koin 2 adalah kepala, kedua koin adalah kepala, dan kedua koin adalah ekor.
Jika koin terus-menerus dibalik secara bersamaan (mirip dengan molekul dalam gas yang terus bergerak), setiap keadaan mikro dapat dianggap sebagai kemungkinan"snapshot" dari sistempada satu titik waktu, dengan setiap keadaan mikro memiliki probabilitas tertentu untuk terjadi. Dalam hal ini, probabilitas keempat keadaan mikro ini adalah sama.
Sebagai contoh lain, bayangkan potret singkat molekul gas dalam balon: energinya, lokasinya, kecepatannya, semuanya diambil pada satu saat. Ini adalah kemungkinan keadaan mikro dari sistem khusus ini.
Keadaan makro adalah himpunan semua keadaan mikro yang mungkin dari suatu sistem, dengan variabel keadaan tertentu. Variabel keadaan adalah variabel yang menggambarkan keadaan keseluruhan sistem, terlepas dari bagaimana ia sampai ke keadaan itu dari yang lain (baik dengan pengaturan molekul yang berbeda, atau kemungkinan jalur berbeda yang diambil oleh partikel untuk berpindah dari keadaan awal ke keadaan akhir negara).
Untuk balon, variabel keadaan yang mungkin adalah suhu, tekanan, atau volume kuantitas termodinamika. Keadaan makro balon adalah himpunan dari setiap kemungkinan gambaran sesaat dari molekul gas yang dapat menghasilkan suhu, tekanan, dan volume yang sama untuk balon.
Dalam kasus dua koin, ada tiga keadaan makro yang mungkin: Satu di mana satu koin adalah kepala dan satu adalah ekor, satu di mana keduanya adalah kepala, dan satu di mana keduanya adalah ekor.
Perhatikan bahwa keadaan makro pertama berisi di dalamnya dua keadaan mikro: koin 1 kepala dengan koin 2 ekor, dan koin 1 ekor dengan koin 2 kepala. Keadaan mikro ini pada dasarnya adalah kemungkinan pengaturan yang berbeda dari keadaan makro yang sama (satu kepala koin dan satu ekor koin). Mereka adalah cara yang berbeda untuk mendapatkan yang samavariabel keadaan, di mana variabel keadaan adalah jumlah total kepala dan jumlah total ekor.
Banyaknya kemungkinan keadaan mikro dalam keadaan makro disebut keadaan makro tersebutberagam. Untuk sistem dengan jutaan atau miliaran atau lebih partikel, seperti molekul gas dalam balon, tampak jelas bahwa jumlah kemungkinan keadaan mikro dalam keadaan makro tertentu, atau banyaknya keadaan makro, tidak dapat diatur besar.
Inilah kegunaan keadaan makro, dan itulah sebabnya keadaan makro umumnya digunakan dalam sistem termodinamika. Tetapi keadaan mikro penting untuk dipahami untuk entropi.
Definisi Entropi
Konsep entropi suatu sistem berhubungan langsung dengan jumlah kemungkinan keadaan mikro dalam suatu sistem. Ini didefinisikan oleh rumus S = k*ln (Ω) di mana adalah jumlah keadaan mikro dalam sistem, k adalah konstanta Boltzmann, dan ln adalah logaritma natural.
Persamaan ini, serta sebagian besar bidang mekanika statistik, diciptakan oleh fisikawan JermanLudwig Boltzmann. Khususnya, teorinya, yang menganggap bahwa gas adalah sistem statistik karena terdiri dari sejumlah besar jumlah atom atau molekul, datang pada saat masih kontroversial apakah atom genap atau tidak ada. persamaan
S=k\ln{\Omega}
terukir di batu nisannya.
Perubahan entropi sistem saat berpindah dari satu keadaan makro ke keadaan makro lainnya dapat dijelaskan dalam bentuk variabel keadaan:
\Delta S=\frac{dQ}{T}
di mana T adalah suhu dalam kelvin dan dQ adalah panas dalam Joule yang dipertukarkan dalam proses reversibel saat sistem berubah antar keadaan.
Hukum Kedua Termodinamika
Entropi dapat dianggap sebagai ukuran ketidakteraturan atau keacakan suatu sistem. Semakin banyak kemungkinan keadaan mikro, semakin besar entropi. Lebih banyak keadaan mikro pada dasarnya berarti ada lebih banyak kemungkinan cara untuk mengatur semua molekul dalam sistem yang terlihat cukup setara pada skala yang lebih besar.
Pikirkan contoh mencoba untuk memisahkan sesuatu yang telah dicampur bersama. Ada sejumlah keadaan mikro yang tidak masuk akal di mana bahan-bahan tetap tercampur, tetapi hanya sangat, sangat sedikit di mana mereka tidak tercampur sempurna. Oleh karena itu, kemungkinan pengadukan lain yang menyebabkan semuanya tidak tercampur menjadi semakin kecil. Keadaan mikro yang tidak tercampur itu hanya terwujud jika Anda mundur dalam waktu.
Salah satu hukum termodinamika terpenting, hukum kedua, menyatakan bahwa entropi total alam semesta (atau sistem yang terisolasi sempurna)tidak pernah berkurang. Artinya, entropi meningkat atau tetap sama. Konsep ini, bahwa sistem selalu cenderung menuju ketidakteraturan dari waktu ke waktu, kadang-kadang juga disebut Panah Waktu: ia hanya menunjuk ke satu arah. Dikatakan bahwa hukum ini menunjuk pada kematian panas alam semesta.
Mesin Kerja dan Panas
Mesin kalor menggunakan konsep perpindahan kalor dari benda panas ke benda dingin untuk menciptakan kerja yang berguna. Contohnya adalah lokomotif uap. Saat bahan bakar dibakar, menciptakan panas, panas itu bergerak ke dalam air, yang menciptakan uap, yang mendorong piston untuk menciptakan gerakan mekanis. Tidak semua panas yang dihasilkan oleh api bahan bakar digunakan untuk menggerakkan piston; sisanya digunakan untuk memanaskan udara. Mesin pembakaran internal juga merupakan contoh mesin panas.
Dalam mesin apa pun, saat pekerjaan dilakukan, entropi yang diberikan ke lingkungan harus lebih besar daripada entropi yang diambil darinya, membuat perubahan bersih entropi menjadi negatif.
Ini dikenal sebagaiKetidaksetaraan Clausius:
\oint\frac{dQ}{T}\leq 0
Integral adalah lebih dari satu siklus lengkap mesin. Ini sama dengan 0 dalam siklus Carnot, atau siklus mesin ideal teoritis di mana entropi bersih mesin dan sekitarnya tidak bertambah atau berkurang. Karena entropi tidak berkurang, siklus mesin ini dapat dibalik. Ini akan menjadi ireversibel jika entropi menurun karena hukum kedua termodinamika.
Setan Maxwell
Fisikawan James Clerk Maxwell menciptakan eksperimen pemikiran yang melibatkan entropi yang menurutnya akan lebih memahami hukum kedua termodinamika. Dalam eksperimen pikiran, ada dua wadah gas dengan suhu yang sama dengan dinding di antara keduanya.
Sebuah "setan" (meskipun ini bukan kata Maxwell) memiliki kekuatan hampir di mana-mana: Dia membuka pintu kecil di dinding untuk membiarkan molekul yang bergerak cepat bergerak dari kotak 1 ke kotak 2 tetapi menutupnya untuk bergerak lebih lambat molekul. Dia juga melakukan kebalikannya, membuka pintu kecil untuk memungkinkan molekul yang bergerak lambat dari kotak 2 ke kotak 1.
Akhirnya, kotak 1 akan memiliki lebih banyak molekul yang bergerak cepat dan kotak 2 akan memiliki lebih banyak molekul yang bergerak lambat, dan entropi bersih sistem akan berkurang karena melanggar hukum kedua termodinamika.