Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa sebuah kolam tidak

membeku di musim panas. Jika sebuah benda panas berinteraksi dengan

benda dingin, maka tak terjadi bahwa benda panas tersebut semakin panas

dan benda dingin semakin dingin, meskipun proses-proses tersebut

tidaklah melanggar hukum kekekalan energi yang dinyatakan sebagai

hukum pertama termodinamika.

Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan apakah proses-proses yang dianggap taat azas dengan hukum pertama, terjadi atau tidak terjadi di alam. Hukum kedua termodinamika seperti yang diungkapkan oleh Clausius mengatakan, �Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi".

Bila ditinjau siklus Carnot, yakni siklus hipotesis yang terdiri dari empat proses terbalikkan: pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor dan pemampatan adiabatik; jika integral sebuah kuantitas mengitari setiap lintasan tertutup adalah nol, maka kuantitas tersebut yakni variabel keadaan, mempunyai sebuah nilai yang hanya merupakan ciri dari keadaan sistem tersebut, tak peduli bagaimana keadaan tersebut dicapai. Variabel keadaan dalam hal ini adalah entropi. Perubahan entropi hanya gayut keadaan awal dan keadaan akhir dan tak gayut proses yang menghubungkan keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.

Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar".

Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum kedua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin besar.

Di dalam ekspansi bebas, molekul-molekul gas yang menempati keseluruhan ruang kotak adalah lebih kacau dibandingkan bila molekul-molekul gas tersebut menempati setengah ruang kotak. Jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda T1 dan T2 berinteraksi, sehingga mencapai temperatur yang serba sama T, maka dapat dikatakan bahwa sistem tersebut menjadi lebih kacau, dalam arti, pernyataan "semua molekul dalam sistem tersebut bersesuaian dengan temperatur T adalah lebih lemah bila dibandingkan dengan pernyataan semua molekul di dalam benda A bersesuaian dengan temperatur T1 dan benda B bersesuaian dengan temperatur T2".

Di dalam mekanika statistik, hubungan antara entropi dan parameter kekacauan adalah, pers. (1):

S = k log w

dimana k adalah konstanta Boltzmann, S adalah entropi sistem, w adalah parameter kekacauan, yakni kemungkinan beradanya sistem tersebut relatif terhadap semua keadaan yang mungkin ditempati.

Jika ditinjau perubahan entropi suatu gas ideal di dalam ekspansi isotermal, dimana banyaknya molekul dan temperatur tak berubah sedangkan volumenya semakin besar, maka kemungkinan sebuah molekul dapat ditemukan dalam suatu daerah bervolume V adalah sebanding dengan V; yakni semakin besar V maka semakin besar pula peluang untuk menemukan molekul tersebut di dalam V. Kemungkinan untuk menemukan sebuah molekul tunggal di dalam V adalah, pers. (2):

W1 = c V

dimana c adalah konstanta. Kemungkinan menemukan N molekul secara serempak di dalam volume V adalah hasil kali lipat N dari w. Yakni, kemungkinan dari sebuah keadaan yang terdiri dari N molekul berada di dalam volume V adalah, pers.(3):

w = w1N = (cV)N.

Jika persamaan (3) disubstitusikan ke (1), maka perbedaan entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal dimana temperatur dan banyaknya molekul tak berubah, adalah bernilai positip. Ini berarti entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal tersebut bertambah besar.

Definisi statistik mengenai entropi, yakni persamaan (1), menghubungkan gambaran termodinamika dan gambaran mekanika statistik yang memungkinkan untuk meletakkan hukum kedua termodinamika pada landasan statistik. Arah dimana proses alami akan terjadi menuju entropi yang lebih tinggi ditentukan oleh hukum kemungkinan, yakni menuju sebuah keadaan yang lebih mungkin. Dalam hal ini, keadaan kesetimbangan adalah keadaan dimana entropi maksimum secara termodinamika dan keadaan yang paling mungkin secara statistik. Akan tetapi fluktuasi, misal gerak Brown, dapat terjadi di sekitar distribusi kesetimbangan. Dari sudut pandang ini, tidaklah mutlak bahwa entropi akan semakin besar di dalam tiap-tiap proses spontan. Entropi kadang-kadang dapat berkurang. Jika cukup lama ditunggu, keadaan yang paling tidak mungkin sekali pun dapat terjadi: air di dalam kolam tiba-tiba membeku pada suatu hari musim panas yang panas atau suatu vakum setempat terjadi secara tiba-tiba dalam suatu ruangan. Hukum kedua termodinamika memperlihatkan arah peristiwa-peristiwa yang paling mungkin, bukan hanya peristiwa-peristiwa yang mungkin.

HUKUM II TERMODINAMIKA

Berdasarkan hokum I termodinamika kita mengetahui bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan

tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Apabila kita hanya berpedoman pada

hokum I termodinamika, maka kita dapat mengubah setiap energi menjadi bentuk energi lain sesuai kehendak kita

asalkan memenuhi hokum kekekalan energi. Akan tetapi kenyataan yang terjadi tidak demikian. Sebagai contoh, ketika

kita menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi

energi kinetic. Ketika bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan

sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya kita balik, yaitu bola besi kita panaskan sehingga

memiliki energi panas sebesar energi kinetic ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi panas ini akan

berubah menjadi energi kinetic dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? Peristiwa

ini tidak mungkin terjadi walau bola besi kita panaskan sampai meleleh sekalipun.

Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi.

Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain:

1. Hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor

“Kalor mengalir secara spontan dari bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara

spontan dalam arah kebalikannya.”

2. Hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor

“Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor

dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.”

3. Hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi

“Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversible terjadi dan bertambah ketika proses irreversible

terjadi.”

Pengertian Entropi

Adalah besaran termodinamika yang menyertai perubahan setiap keadaan dari keadaan awal sampai keadaan

akhir sistem. Entropi menyatakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Suatu sistem yang memiliki entropi tinggi berarti

sistem tersebut makin tidak teratur. Sebagi contoh, jika gas dipanaskan maka molekul-molekul gas akan bergerak secara

acak (entropinya tinggi) tetapi jika suhu =nya diturunkan gerak molekulnya menjadi lebih teratur (entropinya rendah).

Perubahan entropi suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir. Proses reversible tidak

mengubah total entropi dari semesta, tetapi setiap proses irreversibel selalu menaikkan entropi semesta.

Mesin Pendingin

Merupakan peralatan yang bekerja berdasarkan aliran kalor dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan

usaha pada siste. Contoh mesin pendingin adalah lemari es (kulkas0 dan pendinginan ruangan (AC).

Ukuran penampilan sebuah mesin pendingin dinyatakan dengan koefisien daya guna (koefisien performansi)

yang diberi symbol Kp

Kp = Q2/W = ((Q2)/(Q1 – Q2)) = ((T2)/(T1 – T2))

Keterangan: Kp: koefisien daya guna

Q1: kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J)

Q2: kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J)

W: usaha yang diperlukan (J)

T1: suhu reservoir suhu tinggi (K)

T2: suhu reservoir suhu rendah (K)

Secara umum, kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai. Semakin tinggi

nilai Kp, berarti semakin baik penampilan mesin tersebut.

6. PROSES TERBALIKKAN & PROSES TAK TERBALIKKAN

Secara alami kalor mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah, tidak

sebaliknya. Balok meluncur pada bidang, tenaga mekanik balok dikonversikan ke tenaga internal

balok & bidang (kalor) saat gesekan. Proses tersebut termasuk proses tak terbalikkan

(irreversible). Kita tidak dapat melakukan proses sebaliknya.

Proses terbalikkan terjadi bila sistem melakukan proses dari keadaan awal ke keadaan

akhir melalui keadaan setimbang yang berturutan. Hal ini terjadi secara quasi-statik. Sehingga

setiap keadaan dapat didefinisikan dengan jelas P, V dan T-nya. Sebaliknya pada proses

irreversible, kesetimbangan pada keadaan perantara tidak pernah tercapai, sehingga P,V dan T

tak terdefinisikan.

pasir p irreversiblef

i reversible

V Reservoir kalor

7. MESIN KALOR

Rangkaian dari beberapa proses termodinamika yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama disebut siklus.

p 2

3

1 4

V

Untuk sebuah siklus, T = 0 oleh karena itu U = 0. Sehingga

Q = W.

Q menyatakan selisih kalor yang masuk (Q1) dan kalor yang keluar (Q2) (Q = Q1- Q2) dan W

adalah kerja total dalam satu siklus.

7.1. Siklus Carnot

Tahun 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa mesin kalor terbalikkan adengan siklus

antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien.

Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis.

Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur Th (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan

kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor Th dari

reservoir dan melakukan usaha Wab menggerakkan piston.

Qh

a b

d

Qc c

Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama

proses temperatur gas turun dari Th ke Tc (temperatur rendah) dan melakukan usaha Wab .

Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur Tc (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan

kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Qc dari

reservoir dan mendapat usaha dari luar Wcd.

Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama

proses temperatur gas naik dari Tc ke Th dan mendapat usaha Wda .

Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot :

= W/Qh = 1 - Qc /Qh

karena Qc /Qh = Tc /Th (buktikan)

maka

= 1 - Tc /Th

7.2. Mesin Bensin

Proses dari mesin bensin ini dapat didekati dengan siklus Otto.

Proses O-A : Udara ditekan masuk ke dalam silinder pada tekanan atmosfir dan volume naik

dari V2 menjadi V1.

Proses A-B : gas ditekan secara adiabatik dari V1 menjadi V2 dan temperaturnya naik Dari TA ke

TB.

pC

B D

O A

V2 V1 V

Proses B-C : terjadi proses pembakaran gas (dari percikan api busi), kalor diserap oleh gas Q h.

Pada proses ini volume dijaga konstan sehingga tekanan dan temperaturnya naik menjadi pC

dan TC..

Proses C-D : Gas berekspansi secara adiabatik, melakukan kerja WCD.

Proses D-A : kalor Qc dilepas dan tekanan gas turun pada volume konstan.

Proses A-O : dan pada akhir proses, gas sisa dibuang pada tekanan atmosfir dan volume gas

turun dari V1 menjadi V2..

Bila campuran udara-bahan bakar dianggap gas ideal, effisiensi dari siklus Otto adalah :

= 1 - 1/(V1/V2.) -1.

V1/V2. disebut rasio kompresi.

7.3. Mesin Diesel.

Mesin diesel diidealkan bekerja dengan siklus Diesel.

C B

D

A

V2 V3 V1

Berbeda dengan mesin bensin, pembakaran gas dilakukan dengan memberikan kompresi hingga

tekanannya tinggi. Pada proses BC terjadi pembakaran gas berekspansi sampai V3 dan

dilanjutkan ekspansi adiabatik sampai V1. Rasio kompresi siklus Diesel lebih besar dari siklus

Otto sehingga lebih efisien.

7. 4. Heat Pumps dan Refrigerators.

Heat pump adalah peralatan mekanis untuk memanaskan atau mendinginkan ruang dalam

rumah/gedung. Bila berfungsi sebagai pemanas gas yang bersirkulasi menyerap panas dari luar

(eksterior) dan melepaskannya di dalam ruang (interior). Bila difungsikan sebagai AC, siklus

dibalik.

Temperatur panas, Th

Qh

W

Qc

Temperatur dingin, Tc

Efektifitas dari heat pump dinyatakan dalam Coefisien of Perfoment (COP),

COP =Qh/W

Refrigerator, seperti dalam heat pump, memompa kalor Qc dari makanan di dalam ruang ke luar

ruangan.

COP = Qc/W

8. HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

Mesin kalor yang telah dibahas sebelumnya menyatakan :

kalor diserap dari sumbernya pada temperatur tinggi (Qh)

Usaha dilakukan oleh mesin kalor (W).

Kalor dilepas pada temperatur rendah (Qc).

Dari kenyataan ini menujukkan bahwa efisiensi mesin kalor tidak pernah berharga 100 %.

karena Qc selalu ada dalam setiap siklus. Dari sini Kelvin-Planck menyatakan :

“Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor, yang beroperasi pada suatu siklus, hanyalah

mentransformasikan ke dalam usaha semua kalor yang diserapnya dari sebuah sumber”.

Temperatur tinggi,Th Temperatur tinggi, Th

Qh Qh

W W

Qc

Temperatur rendah, Tc Temperatur rendah, Tc

Mesin kalor Mesin kalor yang tidak mungkin

Sebuah heat pumps (atau refrigerator), menyerap kalor Qc dari reservoir dingin dan melepaskan

kalor Qh ke reservoir panas. Dan ini hanya mungkin terjadi bila ada usaha/kerja yang dilakukan

pada sistem. Clausius menyatakan :

“Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan tidak ada efek lain,

selain daripada menyampaikan kalor secara kontinyu dari sebuah benda ke benda lain

yang bertemperatur lebih tinggi”.

Temperatur tinggi,Th Temperatur tinggi, Th

Qh Qh

W

Qc Qc

Temperatur rendah, Tc Temperatur rendah, Tc

Refrigerator Refrigerator yang tak mungkin

Secara sederhana, kalor tidak dapat mengalir dari objek dingin ke objek panas secara spontan.

9. ENTROPI

Konsep temperatur muncul dalam hukum ke-nol termodinamika. Konsep energi internal

muncul dalam hukum pertama termodinamika. Dalam hukum kedua termodinamika muncul

konsep tentang entropi.

Misal ada proses terbalikkan, quasi-statik, jika dQ adalah kalor yang diserap atau dilepas oleh

sistem selama proses dalam interval lintasan yang kecil,

dS = dQ/T

Entropi dari alam naik bila proses yang berlangsung alamiah

Perubahan entropi dari suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir

sistem.

fS = dS = dQ/T

i

Untuk proses dalam satu siklus perubahan entropi nol S = 0.

Untuk proses adiabatik terbalikkan, tidak ada kalor yang masuk maupun keluar sistem, maka

S = 0. Proses ini disebut proses isentropik.

Entropi dari alam akan tetap konstan bila proses terjadi secara terbalikkan.

Untuk proses quasi-statik, terbalikkan, berlaku hubungan : dQ = dU + dW dimana dW = pdV.

Untuk gas ideal, dU = ncv dT dan P = nRT/V, oleh karena itu

dQ = dU + pdV = ncv dT + nRT dV/V

bila dibagi dengan T

dQ/T = ncv dT/T + nR dV/V

S = dQ/T = ncv ln(Tf/Ti) + nR ln(Vf/Vi)