Bayangkan Anda memiliki sebuah kotak kecil berisi manik-manik hitam dan putih dalam jumlah yang sama. Saat pertama kali mendapatkan kotak, semua manik-manik putih tersusun berlapis-lapis di bagian bawah dan semua manik-manik hitam berada di atas.
Namun, segera setelah Anda mulai mengocoknya, keadaan yang rapi dan teratur ini benar-benar rusak, dan mereka dengan cepat bercampur. Karena ada begitu banyak cara spesifik manik-manik dapat diatur, hampir tidak mungkin bahwa dengan melanjutkan proses pengocokan acak, Anda akan mendapatkan manik-manik kembali ke urutan aslinya.
Penjelasan fisik untuk ini bermuara pada hukum kedua termodinamika, salah satu hukum terpenting dalam semua fisika. Untuk memahami detail hukum ini, Anda harus mempelajari dasar-dasar keadaan mikro dan keadaan makro.
Apa itu keadaan mikro?
Keadaan mikro adalah salah satu kemungkinan pengaturan distribusi energi semua molekul dalam sistem tertutup. Dalam contoh manik-manik di atas, keadaan mikro akan memberi tahu Anda posisi yang tepat dari semua manik-manik hitam dan putih individu, jadi Anda
sama sekalitahu tentang keadaan seluruh sistem, termasuk momentum atau energi kinetik dari masing-masing manik-manik juga (jika ada gerakan).Bahkan untuk sistem kecil, Anda memerlukan cukup banyak informasi spesifik untuk benar-benar menentukan keadaan mikro. Misalnya, untuk enam partikel identik dengan sembilan unit energi yang didistribusikan di antara mereka, ada 26 keadaan mikro untuk sistem dengan partikel identik (misalnya, satu di mana partikel memiliki 9 energi, satu di mana partikel memiliki 8 dan yang lain memiliki 1, satu di mana satu memiliki 7 dan dua memiliki 1 dan seterusnya). Untuk sistem dengan partikel yang dapat dibedakan (jadi penting partikel tertentu berada di lokasi tertentu), jumlah ini meningkat menjadi 2002.
Namun, jelas bahwa tingkat informasi tentang suatu sistem ini sulit diperoleh, dan inilah mengapa fisikawan bergantung pada keadaan makro atau menggunakan pendekatan seperti mekanika statistik untuk menggambarkan sistem tanpa informasi besar kebutuhan. Pendekatan-pendekatan ini pada dasarnya "merata-ratakan" perilaku sejumlah besar molekul, menggambarkan sistem dalam istilah yang kurang tepat, tetapi dengan cara yang sama bergunanya untuk masalah dunia nyata.
Mengatur Molekul Gas dalam Wadah
Misalkan Anda memiliki wadah gas yang berisitidakmolekul, dimanatidakmungkin jumlah yang sangat besar. Sama seperti manik-manik dalam contoh dari pendahuluan, ada sejumlah besar tempat molekul mole dapat menempati di dalam wadah, dan jumlah keadaan energi yang berbeda untuk molekul sangat besar terlalu. Berdasarkan definisi keadaan mikro yang diberikan di atas, harus jelas bahwa jumlah keadaan mikro yang mungkin di dalam wadah juga sangat besar.
Tetapi seberapa besar jumlah keadaan kecil atau keadaan mikro ini? Untuk satu mol gas pada suhu 1 sampai 4 Kelvin, ada 10. besar26,000,000,000,000,000,000 kemungkinan keadaan mikro. Ukuran angka ini sangat sulit untuk dilebih-lebihkan: Sebagai perbandingan, ada sekitar 1080 atom di seluruh alam semesta. Untuk air cair pada 273 K (yaitu, 0 derajat Celcius), ada 101,991,000,000,000,000,000,000,000 keadaan mikro yang dapat diakses – untuk menulis angka seperti ini, Anda memerlukan setumpuk kertastahun cahayatinggi.
Tapi ini bukan masalah keseluruhan dengan melihat situasi dalam hal keadaan mikro atau kemungkinan keadaan mikro. Sistem secara spontan berubah dari satu keadaan mikro ke keadaan mikro lainnya, secara acak dan terus menerus, menambah tantangan untuk menghasilkan deskripsi yang bermakna dalam istilah-istilah ini.
Apa itu Macrostate?
Keadaan makro adalah himpunan semua keadaan mikro yang mungkin dari suatu sistem. Ini jauh lebih mudah untuk ditangani daripada keadaan mikro yang berbeda karena Anda dapat menggambarkan seluruh sistem hanya dengan beberapa kuantitas makroskopik daripada harus menentukan energi total dan posisi yang tepat dari semua konstituen molekul.
Untuk situasi yang sama di mana Anda memiliki sejumlah besartidakmolekul dalam sebuah kotak, keadaan makro dapat didefinisikan dengan jumlah yang relatif sederhana dan mudah diukur seperti tekanan, suhu dan volume, serta energi total sistem. Ini jelas merupakan cara yang jauh lebih sederhana untuk mengkarakterisasi sistem daripada melihat molekul individu, dan Anda masih dapat menggunakan informasi ini untuk memprediksi perilaku sistem.
Ada juga postulat terkenal – postulat persamaan ofsebuah prioritasprobabilitas - yang menyatakan bahwa suatu sistem memiliki probabilitas yang sama untuk berada dalam keadaan mikro mana pun yang konsisten dengan keadaan makro saat ini. Ini bukandengan ketatbenar, tetapi cukup akurat sehingga berfungsi dengan baik untuk banyak situasi, dan ini dapat menjadi alat yang berguna ketika mempertimbangkan kemungkinan keadaan mikro untuk sistem yang diberikan keadaan makro tertentu.
Lalu, Apa Pentingnya Keadaan Mikro?
Mempertimbangkan betapa rumitnya mengukur atau menentukan keadaan mikro untuk sistem tertentu, Anda mungkin bertanya-tanya mengapa keadaan mikro bahkan merupakan konsep yang berguna bagi fisikawan. Namun, keadaan mikro memang memiliki beberapa kegunaan penting sebagai sebuah konsep, dan khususnya, mereka adalah bagian penting dari definisi keadaan mikro.entropidari sebuah sistem.
Mari kita sebut jumlah total keadaan mikro untuk keadaan makro yang diberikankamu. Ketika suatu sistem mengalami perubahan karena proses termodinamika – seperti ekspansi isotermal, misalnya – nilaikamuperubahan di sampingnya. Perubahan ini dapat digunakan untuk mendapatkan informasi tentang sistem dan seberapa besar perubahan keadaan mempengaruhinya. Hukum kedua termodinamika membatasi bagaimanakamudapat berubah, kecuali sesuatu di luar sistem berinteraksi dengannya.
Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi total suatu sistem yang terisolasi (juga disebut sistem tertutup) tidak pernah berkurang, dan bahkan cenderung meningkat seiring waktu. Ini adalah hukum fisika yang banyak disalahpahami, terutama karena definisi entropi dan sifat sesuatu yang menjadi sistem "tertutup" atau terisolasi.
Bagian paling sederhana dari ini adalah apa artinya mengatakan sesuatu adalah sistem tertutup. Ini berarti bahwa sistem tidak menukar energi apa pun dengan lingkungan sekitarnya, sehingga pada dasarnya "terisolasi" dari alam semesta sekitarnya.
Definisi entropi paling baik diberikan secara matematis, di mana entropi diberi simbolS, kamudigunakan untuk jumlah keadaan mikro dankadalah konstanta Boltzmann (k = 1.38 × 10−23 J K−1). Entropi kemudian didefinisikan oleh:
S = k \ln (Y)
Ini memberitahu Anda bahwa entropi bergantung pada logaritma natural dari jumlah keadaan mikro dalam sistem, sehingga sistem dengan keadaan mikro yang lebih mungkin memiliki entropi yang lebih tinggi. Anda dapat memahami apa artinya hukum jika Anda memikirkannya dalam istilah-istilah ini.
Dalam contoh manik-manik dari pendahuluan, keadaan awal sistem (lapisan manik-manik putih di bagian bawah dengan lapisan hitam yang di atas) adalah entropi yang sangat rendah, karena sangat sedikit keadaan mikro yang ada untuk keadaan makro ini (misalnya, di mana manik-manik dipesan oleh warna).
Sebaliknya, keadaan kemudian, ketika manik-manik telah dicampur, sesuai dengan entropi yang lebih tinggi karena adabebankeadaan mikro yang akan mereproduksi keadaan makro (yaitu, manik-manik "campuran"). Inilah sebabnya mengapa konsep entropi sering disebut ukuran "ketidakteraturan", tetapi bagaimanapun juga, seharusnya masuk akal secara intuitif bahwa dalam sistem tertutup, manik-manik hanya akanmeningkatkandalam entropi tetapi tidak pernah berkurang.
