Hukum Termodinamika: Pengertian, Persamaan & Contoh

Pompa abadi adalah salah satu dari banyak mesin gerak abadi yang telah dirancang selama bertahun-tahun, dengan tujuan menghasilkan gerakan terus menerus, dan seringkali, sebagai hasilnya, energi bebas. Desainnya cukup sederhana: Air mengalir turun dari platform yang ditinggikan di atas kincir air, yang dipasang pada roda gigi, yang pada gilirannya mengoperasikan pompa yang menarik air dari permukaan kembali ke platform yang ditinggikan, di mana prosesnya dimulai lagi lagi.

Saat pertama kali mendengar tentang desain seperti ini, Anda mungkin berpikir itu mungkin dan bahkan ide yang bagus. Dan para ilmuwan saat itu setuju, sampai hukum termodinamika ditemukan dan menghancurkan harapan semua orang akan gerak abadi dalam satu gerakan.

Hukum termodinamika adalah beberapa hukum fisika yang paling penting. Mereka bertujuan untuk menggambarkan energi, termasuk bagaimana energi itu ditransfer dan dilestarikan, bersama dengan konsep penting darientropidari sebuah sistem, yang merupakan bagian yang membunuh semua harapan akan gerak abadi. Jika Anda seorang mahasiswa fisika, atau Anda hanya ingin memahami banyak termodinamika proses yang terjadi di sekitar Anda, mempelajari empat hukum termodinamika adalah langkah penting untuk perjalanan Anda.

Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajarienergi panas dan energi dalamdalam sistem termodinamika. Energi panas adalah energi yang dilewatkan melalui perpindahan panas, dan energi internal dapat dianggap sebagai jumlah energi kinetik dan energi potensial untuk semua partikel dalam suatu sistem.

Dengan menggunakan teori kinetik sebagai alat – yang menjelaskan sifat-sifat benda dengan mempelajari gerakan partikel penyusunnya – fisikawan telah mampu memperoleh banyak hubungan penting antara kuantitas. Tentu saja, menghitung energi total dari miliaran atom tidak akan praktis, mengingat keacakan efektif dari atom-atom tersebut gerakan yang tepat, sehingga proses yang digunakan untuk memperoleh hubungan dibangun di sekitar mekanika statistik dan sejenisnya pendekatan.

Pada dasarnya, menyederhanakan asumsi dan fokus pada perilaku "rata-rata" pada sejumlah besar molekul memberikan large ilmuwan alat untuk menganalisis sistem secara keseluruhan, tanpa terjebak dalam perhitungan tanpa akhir untuk satu miliar atom.

Untuk memahami hukum termodinamika, Anda perlu memastikan bahwa Anda memahami beberapa istilah yang paling penting.Suhuadalah ukuran energi kinetik rata-rata per molekul dalam suatu zat - yaitu seberapa banyak molekul bergerak di sekitar (dalam cairan atau gas) atau bergetar di tempat (dalam padatan). Satuan SI untuk suhu adalah Kelvin, di mana 0 Kelvin dikenal sebagai "nol mutlak", yang merupakan suhu terdingin yang mungkin (tidak seperti suhu nol di sistem lain), di mana semua gerakan molekul berhenti.

​Energi dalamadalah energi total molekul dalam suatu sistem, yang berarti jumlah energi kinetik dan energi potensialnya. Perbedaan suhu antara dua zat memungkinkan panas mengalir, yang merupakanenergi termalyang berpindah dari satu ke yang lain.Kerja termodinamikaadalah pekerjaan mekanis yang dilakukan dengan memanfaatkan energi panas, seperti pada mesin kalor (kadang-kadang disebut mesin Carnot).

​Entropiadalah konsep yang sulit untuk didefinisikan dengan jelas dalam kata-kata, tetapi secara matematis itu didefinisikan sebagai konstanta Boltzmann (k​ = 1.381 × 10⁻²³ saya² kg s⁻¹ K⁻¹) dikalikan dengan logaritma natural dari jumlah keadaan mikro dalam suatu sistem. Dengan kata lain, ini sering disebut sebagai ukuran "gangguan", tetapi dapat dianggap lebih akurat sebagai tingkat di mana keadaan suatu sistem tidak dapat dibedakan dari sejumlah besar keadaan lain bila dilihat secara makroskopik tingkat.

Misalnya, kabel headphone yang kusut memiliki sejumlah besar kemungkinan pengaturan khusus, tetapi kebanyakan dari mereka terlihat adil sebagai "kusut" seperti yang lain dan memiliki entropi lebih tinggi daripada keadaan di mana kawat digulung rapi tanpa kusut.

Hukum ke nol termodinamika mendapatkan nomornya karena hukum pertama, kedua dan ketiga adalah yang paling terkenal dan diajarkan secara luas, bagaimanapun, itu sama pentingnya ketika datang untuk memahami interaksi termodinamika sistem. Hukum ke-nol menyatakan bahwa jika sistem termal A berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem termal B, dan sistem B berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem C, maka sistem A harus dalam kesetimbangan dengan sistem C.

Ini mudah diingat jika Anda berpikir tentang apa artinya satu sistem berada dalam keseimbangan dengan yang lain. Berpikir dalam hal panas dan suhu: Dua sistem berada dalam kesetimbangan satu sama lain ketika panas telah mengalir sedemikian rupa untuk membawa mereka ke suhu yang sama, seperti suhu hangat seragam yang Anda dapatkan beberapa saat setelah menuangkan air mendidih ke dalam kendi yang lebih dingin air.

Ketika mereka berada dalam kesetimbangan (yaitu pada suhu yang sama), tidak ada perpindahan panas yang terjadi atau sejumlah kecil aliran panas dengan cepat dibatalkan oleh aliran dari sistem lain.

Memikirkan hal ini, masuk akal jika Anda membawa sistem ketiga ke dalam situasi ini, itu akan bergeser ke arah kesetimbangan dengan sistem kedua, dan jika dalam kesetimbangan, itu juga akan dalam kesetimbangan dengan yang pertama sistem juga.

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi internal untuk suatu sistem (∆kamu) sama dengan kalor yang dipindahkan ke sistem (Q) dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem (W). Dalam simbol, ini adalah:

Ini pada dasarnya adalah pernyataan hukum kekekalan energi. Sistem memperoleh energi jika panas ditransfer ke sistem dan kehilangannya jika bekerja pada sistem lain, dan aliran energi dibalik dalam situasi yang berlawanan. Mengingat bahwa panas adalah suatu bentuk perpindahan energi, dan usaha adalah perpindahan energi mekanik, mudah untuk melihat bahwa hukum ini hanya menyatakan kembali kekekalan energi.

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa total entropi sistem tertutup (yaitu sistem yang terisolasi) tidak pernah berkurang, tetapi dapat meningkat atau (secara teoritis) tetap sama.

Ini sering ditafsirkan sebagai makna bahwa "gangguan" dari setiap sistem yang terisolasi meningkat dari waktu ke waktu, tetapi seperti yang dibahas di atas, ini bukan cara yang benar-benar akurat untuk melihat konsepnya, meskipun secara luas Baik. Hukum kedua termodinamika pada dasarnya menyatakan bahwa proses acak menyebabkan "ketidakteraturan" dalam arti matematis istilah yang ketat.

Sumber kesalahpahaman umum lainnya tentang hukum kedua termodinamika adalah arti dari "tertutup" sistem." Ini harus dianggap sebagai sistem yang terisolasi dari dunia luar, tetapi tanpa isolasi ini, entropibisamengurangi. Misalnya, kamar tidur berantakan yang dibiarkan sendiri tidak akan pernah menjadi lebih rapi, tetapi itubisaberalih ke keadaan entropi lebih rendah yang lebih terorganisir jika seseorang masuk dan mengerjakannya (yaitu membersihkannya).

Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa ketika suhu suatu sistem mendekati nol mutlak, entropi sistem mendekati konstan. Dengan kata lain, hukum kedua membuka kemungkinan bahwa entropi suatu sistem dapat tetap konstan, tetapi hukum ketiga menjelaskan bahwa ini hanya terjadi padanol mutlak​.

Hukum ketiga juga menyiratkan bahwa (dan kadang-kadang dinyatakan sebagai) tidak mungkin untuk mengurangi suhu sistem menjadi nol mutlak dengan jumlah operasi yang terbatas. Dengan kata lain, pada dasarnya tidak mungkin untuk benar-benar mencapai nol mutlak, meskipun sangat mungkin untuk mendekatinya dan meminimalkan peningkatan entropi sistem.

Ketika sistem menjadi sangat dekat dengan nol mutlak, perilaku yang tidak biasa dapat terjadi. Misalnya, mendekati nol mutlak, banyak bahan kehilangan semua hambatannya terhadap aliran arus listrik, bergeser ke keadaan yang disebut superkonduktivitas. Ini karena resistansi terhadap arus diciptakan oleh keacakan gerakan inti atom atom dalam konduktor – mendekati nol mutlak, mereka hampir tidak bergerak, sehingga hambatannya diminimalkan.

Hukum termodinamika dan hukum kekekalan energi menjelaskan mengapa mesin gerak abadi tidak mungkin. Akan selalu ada energi "buangan" yang tercipta dalam proses untuk desain apa pun yang mungkin Anda pilih, sesuai dengan hukum kedua termodinamika: Entropi sistem akan meningkat.

Hukum kekekalan energi menunjukkan bahwa setiap energi dalam mesin harus berasal dari suatu tempat, dan kecenderungan ke arah entropi menunjukkan mengapa mesin tidak akan mentransmisikan energi secara sempurna dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Menggunakan kincir air dan contoh pompa dari pendahuluan, kincir air harus memiliki bagian yang bergerak (misalnya, gandar dan sambungan ke roda, dan roda gigi yang mentransmisikan energi ke pompa), dan ini akan menciptakan gesekan, kehilangan energi sebagai panas.

Ini mungkin tampak seperti masalah kecil, tetapi bahkan dengan penurunan kecil dalam output energi, pompa tidak akan bisa mendapatkansemuaair kembali ke permukaan yang ditinggikan, sehingga mengurangi energi yang tersedia untuk upaya berikutnya. Kemudian, lain kali, akan ada lebih banyak energi yang terbuang dan lebih banyak air yang tidak dapat dipompa, dan seterusnya. Selain itu, juga akan ada kehilangan energi dari mekanisme pompa.

Ketika berpikir tentang hukum kedua termodinamika, Anda mungkin bertanya-tanya: Jika entropi suatu terisolasi sistem meningkat, bagaimana mungkin sistem yang sangat "teratur" seperti manusia datang ke menjadi? Bagaimana tubuh saya mengambil masukan yang tidak teratur dalam bentuk makanan dan mengubahnya menjadi sel dan organ yang dirancang dengan cermat? Bukankah poin-poin ini bertentangan dengan hukum kedua termodinamika?

Kedua argumen ini membuat kesalahan yang sama: Manusia bukanlah “sistem tertutup” (yaitu sistem yang terisolasi) dalam arti sempit dunia karena Anda berinteraksi dengan dan dapat mengambil energi dari sekitarnya alam semesta.

Ketika kehidupan pertama kali muncul di Bumi, meskipun materi berubah dari entropi tinggi ke entropi lebih rendah, ada masukan energi ke dalam sistem dari matahari, dan energi ini memungkinkan sistem menjadi entropi yang lebih rendah waktu. Perhatikan bahwa dalam termodinamika, "alam semesta" sering diartikan sebagai lingkungan yang melingkupi suatu keadaan, daripada keseluruhan alam semesta kosmik.

Misalnya tubuh manusia menciptakan keteraturan dalam proses pembuatan sel, organ bahkan manusia lainnya, jawabannya adalah sama: Anda mengambil energi dari luar, dan ini memungkinkan Anda untuk melakukan beberapa hal yang tampaknya menentang hukum kedua termodinamika.

Jika Anda benar-benar terputus dari sumber energi lain, dan Anda menggunakan semua energi yang tersimpan di tubuh Anda, itu memang benar bahwa Anda tidak dapat menghasilkan sel atau melakukan aktivitas apa pun yang membuat Anda berfungsi. Tanpa pembangkangan nyata Anda terhadap hukum kedua termodinamika, Anda akan mati.