Hukum Kedua Termodinamika: Definisi, Persamaan & Contoh

Sebuah istana pasir di pantai perlahan runtuh seiring berjalannya hari. Tetapi seseorang yang menyaksikan kebalikannya – pasir secara spontan melompat ke dalam bentuk kastil – akan mengatakan bahwa mereka pasti sedang menonton rekaman, bukan kenyataan. Demikian pula, segelas es teh yang kubusnya mencair dari waktu ke waktu sesuai dengan harapan kita, tetapi bukan segelas cairan yang es batunya terbentuk secara spontan.

Alasan bahwa beberapa proses alam tampaknya masuk akal terjadi maju dalam waktu tetapi tidak mundur dalam waktu berkaitan dengan hukum kedua termodinamika. Hukum penting ini adalah satu-satunya deskripsi fisik alam semesta yang bergantung pada waktu yang memiliki arah tertentu, di mana kita hanya bisa bergerak maju.

Sebaliknya, hukum Newton atau persamaan kinematika, keduanya digunakan untuk menggambarkan gerak benda, usaha sama baiknya apakah seorang fisikawan memutuskan untuk menganalisis busur sepak bola saat bergerak maju atau dalam balik. Inilah sebabnya mengapa hukum kedua termodinamika kadang-kadang juga disebut sebagai "panah waktu".

Mekanika statistik adalah cabang fisika yang menghubungkan perilaku skala mikroskopis, seperti gerak molekul udara dalam ruangan tertutup, hingga pengamatan makroskopik berikutnya, seperti keseluruhan ruangan suhu. Dengan kata lain, menghubungkan apa yang dapat diamati secara langsung oleh manusia dengan berbagai proses spontan tak kasat mata yang bersama-sama mewujudkannya.

Keadaan mikro adalah salah satu kemungkinan pengaturan dan distribusi energi dari semua molekul dalam sistem termodinamika tertutup. Misalnya, keadaan mikro dapat menggambarkan lokasi dan energi kinetik dari setiap molekul gula dan air di dalam termos cokelat panas.

Keadaan makro, di sisi lain, adalah himpunan semua keadaan mikro yang mungkin dari suatu sistem: semua kemungkinan cara molekul gula dan air di dalam termos dapat diatur. Cara fisikawan menggambarkan keadaan makro adalah dengan menggunakan variabel seperti suhu, tekanan, dan volume.

Ini diperlukan karena jumlah kemungkinan keadaan mikro dalam keadaan makro yang diberikan terlalu besar untuk ditangani. Sebuah ruangan pada 30 derajat Celcius adalah pengukuran yang berguna, meskipun mengetahui bahwa itu adalah 30 derajat tidak mengungkapkan sifat spesifik dari setiap molekul udara di dalam ruangan.

Meskipun keadaan makro umumnya digunakan ketika berbicara tentang termodinamika, memahami keadaan mikro relevan karena mereka menggambarkan mekanisme fisik yang mendasari yang mengarah pada yang lebih besar pengukuran.

Entropi sering digambarkan dengan kata-kata sebagai ukuran jumlah ketidakteraturan dalam suatu sistem. Definisi ini pertama kali dikemukakan oleh Ludwig Boltzmann pada tahun 1877.

Dalam termodinamika, dapat didefinisikan lebih spesifik sebagai jumlah energi panas dalam sistem tertutup yang tidak tersedia untuk melakukan pekerjaan yang berguna.

Transformasi energi yang berguna menjadi energi panas adalah proses yang tidak dapat diubah. Karena itu, jumlah total entropi dalam sistem tertutup – termasuk alam semesta secara keseluruhan – hanya dapatmeningkatkan​.

Konsep ini menjelaskan bagaimana entropi berhubungan dengan arah aliran waktu. Jika fisikawan dapat mengambil beberapa snapshot dari sistem tertutup dengan data tentang berapa banyak entropi itu di masing-masing, mereka dapat menempatkan mereka dalam urutan waktu mengikuti "panah waktu" – pergi dari kurang ke lebih entropi.

Untuk lebih teknisnya, secara matematis, entropi suatu sistem ditentukan oleh rumus berikut, yang juga dibuat oleh Boltzmann:

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

Pengambilan utama dari rumus ini adalah untuk menunjukkan bahwa, ketika jumlah keadaan mikro, atau cara pengurutan suatu sistem, meningkat, demikian pula entropinya.

Perubahan entropi sistem saat berpindah dari satu keadaan makro ke keadaan makro lainnya dapat dijelaskan dalam bentuk variabel keadaan makro panas dan waktu:

dimanaTadalah suhu danQadalah perpindahan panas dalam proses reversibel ketika 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 termodinamika 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; itu hanya jauh lebih kecil kemungkinannya terjadi.

Misalnya, dari semua keadaan mikro di mana setumpuk kartu yang dikocok secara acak dapat berakhir – 8,066 × 10⁶⁷ – hanya satu dari opsi tersebut yang sama dengan pesanan yang mereka miliki dalam paket aslinya. Saya tbisaterjadi, tetapi kemungkinannya sangat, sangat kecil. Secara keseluruhan, segala sesuatu secara alami cenderung ke arah kekacauan.

Entropi dapat dianggap sebagai ukuran ketidakteraturan atau keacakan suatu sistem. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa itu selalu tetap sama atau meningkat, tetapi tidak pernah berkurang. Ini adalah akibat langsung dari mekanika statistik, karena deskripsinya tidak bergantung pada kejadian yang sangat langka di mana setumpuk kartu dikocok menjadi urutan yang sempurna, tetapi pada kecenderungan keseluruhan sistem untuk meningkatkan ketidakteraturan.

Salah satu cara berpikir yang disederhanakan tentang konsep ini adalah dengan mempertimbangkan bahwa tidak mencampur dua set objek membutuhkan lebih banyak waktu dan usaha daripada mencampurnya di tempat pertama. Mintalah setiap orang tua dari balita untuk memverifikasi; lebih mudah membuat kekacauan besar daripada membersihkannya!

Banyak pengamatan lain di dunia nyata yang "masuk akal" bagi kita terjadi dalam satu cara tetapi tidak dengan cara lain karena mereka mengikuti hukum kedua termodinamika:

• Kalor mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah dan bukan sebaliknya sekitar (es batu mencair dan kopi panas yang ditinggalkan di atas meja secara bertahap mendingin sampai sesuai dengan ruangan suhu).
• Bangunan terbengkalai perlahan runtuh dan tidak membangun kembali diri mereka sendiri.
• Sebuah bola yang menggelinding di sepanjang taman bermain melambat dan akhirnya berhenti, karena gesekan mengubah energi kinetiknya menjadi energi panas yang tidak dapat digunakan.
  

Hukum kedua termodinamika hanyalah cara lain untuk secara formal menggambarkan konsep panah waktu: Bergerak maju dalam waktu, perubahan entropi alam semesta tidak boleh negatif.

Jika keteraturan terus meningkat, mengapa melihat ke seluruh dunia tampaknya mengungkapkan banyak contoh situasi yang teratur?

Sedangkan entropisecara keseluruhanselalu meningkat, lokalberkurangdalam entropi dimungkinkan dalam kantong sistem yang lebih besar. Misalnya, tubuh manusia adalah sistem yang sangat teratur dan teratur – bahkan mengubah sup yang berantakan menjadi tulang yang indah dan struktur kompleks lainnya. Namun, untuk melakukan itu, tubuh mengambil energi dan menciptakan limbah saat berinteraksi dengan sekitarnya. Jadi, meskipun orang yang melakukan semua ini mungkin mengalami lebih sedikit entropi di dalam tubuhnya pada akhir siklus makan/membangun bagian tubuh/mengekskresikan limbah,entropi total sistem– tubuh ditambah segala sesuatu di sekitarnya – diammeningkat​.

Demikian pula, seorang anak yang termotivasi mungkin dapat membersihkan kamar mereka, tetapi mereka mengubah energi menjadi panas selama prosesnya (pikirkan keringat mereka sendiri dan panas yang dihasilkan oleh gesekan antara benda yang dipindahkan sekitar). Mereka mungkin juga membuang banyak sampah yang kacau balau, mungkin menghancurkannya dalam prosesnya. Sekali lagi, entropi meningkat secara keseluruhan dalam kode pos, bahkan jika ruangan itu berakhir spic dan span.

Dalam skala besar, hukum kedua termodinamika memprediksi akhirnyakematian panasdari alam semesta. Jangan bingung dengan alam semesta yang sekarat dalam pergolakan yang berapi-api, frasa lebih tepatnya mengacu pada gagasan bahwa pada akhirnya semua berguna energi akan diubah menjadi energi panas, atau panas, karena proses ireversibel terjadi hampir di mana-mana sepanjang waktu. Selain itu, semua panas ini pada akhirnya akan mencapai suhu yang stabil, atau kesetimbangan termal, karena tidak ada hal lain yang akan terjadi padanya.

Kesalahpahaman umum tentang kematian panas alam semesta adalah bahwa itu mewakili waktu ketika tidak ada energi yang tersisa di alam semesta. Ini bukan kasusnya! Sebaliknya, ini menggambarkan saat ketika semua energi yang berguna telah diubah menjadi energi panas yang semuanya telah tercapai suhu yang sama, seperti kolam renang yang diisi dengan setengah air panas dan setengah dingin, lalu ditinggalkan di luar semua sore.

Hukum kedua mungkin yang terpanas (atau setidaknya yang paling ditekankan) dalam pengantar termodinamika, tetapi seperti namanya, itu bukan satu-satunya. Yang lain dibahas secara lebih rinci di artikel lain di situs ini, tetapi inilah garis besar singkatnya:

​Hukum ke nol termodinamika.Dinamakan demikian karena mendasari hukum termodinamika lainnya, hukum ke-nol pada dasarnya menjelaskan apa itu suhu. Ini menyatakan bahwa ketika dua sistem masing-masing dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, mereka juga harus berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dengan kata lain, ketiga sistem harus memiliki suhu yang sama. James Clerk Maxwell menggambarkan hasil utama dari hukum ini sebagai "Semua panas adalah dari jenis yang sama."

​Hukum pertama termodinamika.Hukum ini menerapkan kekekalan energi pada termodinamika. 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 (meskipun terkadang dalam Btus atau kalori).

​Hukum ketiga termodinamika.Hukum ini mendefinisikannol mutlakdalam hal entropi. Ini menyatakan bahwa kristal sempurna memiliki entropi nol ketika suhunya nol mutlak, atau 0 Kelvin. Kristal harus diatur dengan sempurna atau jika tidak ia akan memiliki beberapa kelainan bawaan (entropi) dalam strukturnya. Pada suhu ini, molekul dalam kristal tidak bergerak (yang juga dianggap sebagai energi panas, atau entropi).

Perhatikan bahwa ketika alam semesta mencapai keadaan akhir keseimbangan termal – kematian panasnya – ia akan mencapai suhulebih tinggidari nol mutlak.