Makalah Hukum 2 Termodinamika
BAB IPENDAHULUANA.Latar Belakang MasalahTermodinamika adalah
nama yang diberikan untuk studi proses di mana energi ditransfer
sebagai kalor dan sebagai kerja. Dalam termodinamika terdapat
beberapa hukum yang meliputinya. Hukum termodinamika pertama
menyatakan bahwa energi adalah kekal. Sebagai contoh, ketika sebuah
benda yang panas diletakkan bersentuhan dengan benda yang dingin,
kalor mengalir dari yang panas ke yang dingin, tidak pernah
sebaliknya secara spontan. Jika kalor meninggalkan benda yang
dingin dan masuk ke yang panas, energi akan tetap bisa kekal.
Tetapi ini tidak berlangsung secara spontan.Ada banyak contoh lain
dari proses yang terjadi di alam tetapi kebalikannya tidak pernah
terjadi. Misal, cangkir kopi dan gelas akan pecah seketika jika
Anda menjatuhkannya. Tetapi pecahannya tidak akan bersatu kembali
seketika.
Hukum termodinamika pertama, kekekalan energi, tidak akan
dilanggar jika proses-proses ini terjadi dengan sebaliknya. Untuk
menjelaskan tidak adanya reversibilitas (bisa balik) para ilmuwan
di paruh kedua abad sembilanbelas merumuskan prinsip baru yang
dikenal dengan hukum termodinamika kedua. Hukum ini merupakan
pernyataan mengenai proses yang terjadi di alam dan yang tidak.
Hukum ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, semuanya
sama.B.Rumusan Masalah1.Bagaimana bunyi hukum termodinamika
kedua?2.Bagaimana pernyataan Kelvin-Planck dan Clausius tentang
hukum termodinamika kedua?3.Bagaimana kesetaraan perumusan
Kelvin-Planck dan Clausius?4.Apa itu proses reversibel dan
ireversibel?5.Apa itu entropi?
C.Tujuan Penulisan1.Menjelaskan bunyi hukum termodinamika
kedua.2.Menjelaskan pernyataan Kelvin-Planck dan Clausius tentang
hukum termodinamika kedua.3.Menjelaskan dan menyatakan kesetaraan
perumusan Kelvin-Planck dan Clausius.4.Menjelaskan proses
reversibel dan ireversibel.5.Menjelaskan apa itu
entropi.D.MetodePenulisanPenulisan makalah ini melalui prosedur
studi pustaka, baik media buku maupun internet. Semua informasi dan
gagasan yang telah diperoleh dalam makalah ini, kami gabungkan
menjadi satu kesatuan dan menyeluruh, untuk menjelaskan makalah
kami tentang hukum termodinamika kedua, sehingga kami dapat menarik
kesimpulan dari intisari pembahasan makalah ini.
BAB IIISIA.HUKUM KEDUA TERMODINAMIKAHukum kedua termodinamika
mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah. Dengan kata lain,
tidak semua proses di alam adalah reversibel (arahnya dapat
dibalik). Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa kalor mengalir
secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah
dan tidak pernah mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.
Misalnya, jika sebuah kubus kecil dicelupkan ke dalam secangkir air
kopi panas, kalor akan mengalir dari air kopi panas ke kubus es
sampai suhu keduanya sama.(Marthen Kanginan, 2007: 246 dan
250)Gambar dibawah ini memperlihatkan dua sistem yang berbeda dan
masing-masing dilingkupi oleh dinding adiabatik. Pada gambar (a)
sebuah benda yang suhunya T1bersinggungan dengan benda lain
(reservoir) yang suhunya T2. Jika suhu T2lebih tinggi dari pada
T1maka sejumlah bahang akan mengalir dari reservoir masuk ke dalam
benda pertama sampai akhirnya dicapai keadaan seimbang. Dalam
keadaaan seimbang ini, suhu benda pertama berubah menjadi T2sama
dengan suhu reservoir. Proses ini terjadi secara spontan. Seperti
yang diketahui, reservoir adalah benda yang karena ukurannya besar
atau karena sejumlah bahang mengalir keluar masuk ke dalamnya,
suhunya tidak berubah.Gambar 1. Dua sistem berbeda oleh dinding
adiabatik
Pada gambar (b) dilukiskan suatu bejana yang terbagi dua oleh
diafragma. Bagian kiri berisi sejumlah gas dan bagian kanan hampa.
Jika diafragma dirobek, maka sejumlah molekul gas dari bagian kiri
akan bergerak memasuki bagian kanan sampai akhirnya dicapai keadaan
seimbang dengan kedua bagian mempunyai tekanan yang sama. Proses
inipun tak dapat berlangsung ke arah sebaliknya. Dari keadaan
seimbang dengan molekul-molekul gas menempati kedua bagian dengan
tekanan yang sama kemudian sejumlah molekul bergerak ke kiri sampai
akhirnya bagian kanan menjadi hampa. Dari varian di atas dapat
disimpulkan bahwa tampaknya hukum pertama tidak sensitif terhadap
arah proses.Hukum pertama termodinamika tidak dapat menjelaskan
apakah suatu proses mungkin terjadi ataukah tak mungkin terjadi.
Oleh karena itu, muncullah hukum kedua termodinamika yang disusun
tidak lepas dari usaha untuk mencari sifat atau besaran sistem yang
merupakan fungsi keadaan. Ternyata orang yang menemukannya adalah
Clausius dan besaran itu disebut entropi. Hukum kedua ini dapat
dirumuskan sebagai berikut:Proses suatu sistem terisolasi yang
disertai dengan penurunan entropi tidak mungkin terjadi. Dalam
setiap proses yang terjadi pada sistem terisolasi, maka entropi
sistem tersebut selalu naik atau tetap tidak berubah.Hukum kedua
termodinamika memberikan batasan dasar pada efisiensi sebuah mesin
atau pembangkit daya. Hukum ini juga memberikan batasan energi
masukan minimum yang dibutuhkan untuk menjalankan sebuah sistem
pendingin. Maka hukum kedua secara langsung menjadi relevan pada
banyak soal praktis yang penting. Hukum kedua termodinamika juga
dapat dinyatakan dalam konsep entropi yaitu sebuah ukuran
kuantitatif derajat ketidakaturan atau keacakan sebuah sistem.Dari
hasil percobaan para ahli menyimpulkan bahwa mustahil untuk membuat
sebuah mesin kalor yang mengubah panas seluruhnya menjadi kerja,
yaitu mesin dengan efisiensi termal 100%. Kemustahilan ini adalah
dasar dari satu pernyataan hukum kedua termodinamika sebagai
berikut :Adalah mustahil bagi sistem manapun untuk mengaalami
sebuah proses di mana sistem menyerap panas dari reservoir pada
suhu tunggal dan mengubah panas seluruhnya menjadi kerja mekanik,
dengan sistem berakhir pada keadaan yang sama seperti keadaan
awalnya.Pernyataan ini dikenal dengan sebutan pernyataan mesin dari
hukum kedua termodinamika.Dasar dari hukum kedua termodinamika
terletak pada perbedaaan antara sifat alami energi dalam dan energi
mekanik makroskopik. Dalam benda yang bergerak, molekul memiliki
gerakan acak, tetapi diatas semua itu terdapat gerakan
terkoordinasi dari setiap molekul pada arah yang sesuai dengan
kecepatan benda tersebut. Energi kinetik dan energi potensial yang
berkaitan dengan gerakan acak menghasilkan energi dalam.Jika hukum
kedua tidak berlaku, seseorang dapat menggerakkan mobil atau
pembangkit daya dengan mendinginkan udara sekitarnya. Kedua
kemustahilan ini tidak melanggar hukum pertama termodinamika. Oleh
karena itu, hukum kedua termodinamika bukanlah penyimpulan dari
hukum pertama, tetapi berdiri sendiri sebagai hukum alam yang
terpisah. Hukum pertama mengabaikan kemungkinan penciptaan atau
pemusnahan energi. Sedangkan hukum kedua termodinamika membatasi
ketersediaan energi dan cara penggunaan serta pengubahannya.Panas
mengalir secara spontan dari benda panas ke benda yang lebih
dingin, tidak pernah sebaliknya. Sebuah pendingin mengambil panas
dari benda dingin ke benda yang lebih panas, tetapi operasinya
membutuhkan masukan energi mekanik atau kerja. Hal umum mengenai
pengamatan ini dinyatakan sebagai berikut :Adalah mustahil bagi
proses mana pun untuk bekerja sendiri dan menghasilkan perpindahan
panas dari benda dingin ke benda yang lebih panas.Pernyataan ini
dikenal dengan sebutan pernyataan pendingin dari hukum kedua
termodinamika.Pernyataan pendingin ini mungkin tidak tampak
berkaitan sangat dekat dengan pernyataan mesin. Tetapi pada
kenyataannya, kedua pernyataan ini seutuhnya setara. Sebagai
contoh, jika seseorang dapat membuat pendingin tanpa kerja, yang
melanggar pernyataan pendingin dari hukum kedua, seseorang dapat
mengabungkannya dengan sebuah mesin kalor, memompa kalor yang
terbuang oleh mesin kembali ke reservoir panas untuk dipakai
kembali. Meski gabungan ini akan melanggar pernyataan mesin dari
hukum kedua, karena selisih efeknya akan menarik selisih panas
sejumlahdari reservoir panas dan mengubah seutuhnya menjadi
kerjaW.Perubahan kerja menjadi panas, seperti pada gesekan atau
aliran fluida kental (viskos) dan aliran panas dari panas ke dingin
melewati sejumlah gradien suhu, adalah suatu
prosesireversibel.Pernyataan mesin dan pendingin dari hukum kedua
menyatakan bahwa proses ini hanya dapat dibalik sebagian saja.
Misalnya, gas selalu mengalami kebocoran secara spontan melalui
suatu celah dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan
rendah. Gas-gas dan cairan-cairan yang dapat bercampur bila
dibiarkan akan selalu tercampur dengan sendirinya dan bukannya
terpisah. Hukum kedua termodinamika adalah sebuah pernyataan dari
aspek sifat searah dari proses-proses tersebut dan banyak
prosesireversibellainnya. Perubahan energi adalah aspek utama dari
seluruh kehidupan tanaman dan hewan serta teknologi manusia, maka
hukum kedua termodinamika adalah dasar terpenting dari dunia tempat
makhluk hidup tumbuh dan berkembang.Gambar 2. Diagram aliran energi
untuk bentuk-bentuk yang ekuivalen dari hukum kedua. (a) Sebuah
pendingin tanpa kerja (kiri), jika ada, dapat dikombinasikan dengan
mesin kalor biasa (kanan) untuk membentuk sebuah perangkat gabungan
yang berfungsi sebagai mesin dengan efisiensi 100%, mengubah
panasseutuhnya menjadi kerja. (b) Sebuah mesin dengan efisiensi
100% (kiri), jika ada dapat dikombinasikan dengan pendingin biasa
(kanan) untuk membentuk sebuah pendingin tanpa kerja, memindahkan
panasQCdari reservoir dingin ke reservoir panas tanpa selisih
masukan kerja. Karena keduanya adalah mustahil, maka yang satunya
pun akan mustahil.
(Sears dan Zemansky, 2000: 561-562)B.PERNYATAAN KELVIN-PLANCK
DAN RUDOLF CLAUSIUS TENTANG HUKUM KEDUA TERMODINAMIKADua formulasi
dari hukum kedua termodinamika yang berguna untuk memahami konversi
energi panas ke energi mekanik, yaitu formulasi yang dikemukakan
oleh Kelvin-Planck dan Rudolf Clausius. Adapun hukum kedua
termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut :1.Formulasi
Kelvin-PlanckTidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang
bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas
yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya
menjadi usaha mekanik.Dengan kata lain, formulasi kelvin-planck
menyatakan bahwa tidak ada cara untuk mengambil energi panas dari
lautan dan menggunakan energi ini untuk menjalankan generator
listrik tanpa efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer. Oleh
karena itu, pada setiap alat atau mesin memiliki nilai efisiensi
tertentu. Efisiensi menyatakan nilai perbandingan dari usaha
mekanik yang diperoleh dengan energi panas yang diserap dari sumber
suhu tinggi.(4-1)DimanaW= Q1 Q2,sehingga(4-2)
2.Formulasi ClausiusTidak mungkin untuk membuat sebuah mesin
kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan
energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas.Dengan kata
lain, seseorang tidak dapat mengambil energi dari sumber dingin
(suhu rendah) dan memindahkan seluruhnya ke sumber panas (suhu
tinggi) tanpa memberikan energi pada pompa untuk melakukan
usaha.(Marthen Kanginan, 2007: 249-250)Berbeda dari hukum pertama,
hukum kedua ini mempunyai berbagai perumusan. Kelvin mengetengahkan
suatu permasalahan dan Planck mengetengahkan perumusan lain. Karena
pada hakekatnya perumusan kedua orang ini mengenai hal yang sama
maka perumusan itu digabung dan disebut perumusan Kelvin-Planck
bagi hukum kedua termodinamika. Perumusan ini diungkapkan demikian
:Tidak mungkin membuat pesawat yang kerjanya semata-mata menyerap
kalor dari sebuah reservoir dan mengubahnya menjadi usahaOleh
Clausius, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan ungkapan
:Tidak mungkin membuat pesawat yang kerjanya hanya menyerap kalor
dari reservoir bertemperatur rendah dan memindahkan kalor ini ke
reservoir yang bertemperatur tinggi, tanpa disertai perubahan lain.
Memindahkan kalor dari temperatur rendah ke temperatur tinggi kalau
terus-menerus, akan membuat reservoir dingin menjadi lebih dingin
lagi, dan reservoir panas menjadi lebih panas lagi. Adapun proses
yang terjadi pada pesawat pendingin seperti lemari es adalah
sebagai berikut :a.Zat cair pada tekanan tinggi harus melalui
saluran yang sempit, menuju ke ruang yang lapang. Proses ini
disebut proses Joule-Kelvin.b.Tiba diruang yang lapang itu
(evaporator) zat cair berkurang tekanan dan temperaturnya, serta
menguap pula. Untuk menguap, zat cair itu memerlukan kalor yang
diserapnya dari reservoir T2.(Benda yang akan didinginkan itulah
yang menjadi reservoir dingin).c.Uap pada tekanan rendah ini masuk
kompresor, dimampatkan, sehingga tekanan dan temperaturnya naik.
Temperatur uap ini lebih tinggi dari pada temperatur reservoir
T1(dan T1T2).d.Tiba di kondensor uap ini memberikan kalor pada
reservoir T1.Selaku reservoir T1dapat digunakan udara dalam kamar,
ataupun air.Zat yang sering digunakan pada pesawat pendingin adalah
freon atau amoniak. Proses yang sebenarnya berlangsung amat rumit.
Dengan mengabaikan banyak hal dapatlah dilukiskan siklus yang mirip
(gambar). Siklus ini terdiri atas:a.Gambar 4. Siklus pesawat
pendingin
Gambar 3. Bagan pesawat pendingin
proses Joule-Kelvin. Selama proses ini keadaan sistem bukanlah
keadaan seimbang, karena itu tidak diketahui harga p dan V dari
saat yang satu ke saat yang lain. Hanya keadaan awal (keadaan 1)
dan keadaan akhir (keadaan 2) yang merupakan keadaan seimbang
dengan harga p dan V yang tertentu. Karena itulah keadaan sistem
selama proses itu tidak dapat dilukiskan sebenarnya.Dalam gambar 3,
proses ini dinyatakan oleh titik.b.penguapan terjadi pada tekanan
dan temperature tetap, dengan penyerapan kalor sebesar
Q2.c.pemampatan secara adiabatik, sampai temperatur uap melebihi
harga T1.d.pendinginan pada tekanan tetap sampai temperatur uap
mencapai harga T1,dilanjutkan dengan pengembunan pada tekanan tetap
dan temperatur tetap.Azas kerja pesawat pendingin ini tidak
menentang perumusan Clausius karena pada pesawat ini harus
dilakukan usaha dari luar sebesar W yang dinyatakan oleh luas
bagian yang dibatasi 12341. Dari hukum pertama termodinamika
diketahui,(4-3)Jadi, selain pemindahan kalor dari reservoir dingin
(T2) ke reservoir panas (T1), terjadi pula perubahan usaha menjadi
kalor yang ikut dibuang di.(Sutrisno dan Tan Ik Gie, 1983:
203-206)Pernyataan Clausius tentang hukum kedua termodinamika
adalah sebagai berikut:Suatu poses tidak mungkin terjadi, bila
satu-satunya hasil adalah sejumlah arus bahang yang mengalir keluar
dari suatu sistem dengan suhu tertentu dan semuanya masuk kedalam
sistem lain pada suhu yang lebih tinggi.Hal ini dijelaskan sebagai
berikut:T2> T1
Andaikan proses tersebut dapat berlangsung, seperti yang
dilukiskan pada gambar 7-5. Perubahan entropi sistem (reservoir) A
dan B adalah(4-4)Gambar 5. Proses perpindahan kalor ke suatu
sistem
Kedua sistem itu bersama-sama merupakan sebuah dunia semesta.
Perubahan entropi semesta ini adalah(4-5)Perubahan entropi total
ini negatif karenaT2> T1sehingga suku pertama yang negatif pada
ruas kanan lebih besar dari pada suku kedua. Ini berarti bahwa
dalam proses ini entropi menurun, sehingga menurut hukum kedua
proses tersebut tidak mungkin terjadi.Pada mesin pendingin
(refrigerator) memang arus bahang mengalir dari reservoir dengan
suhu yang lebih rendah ke reservoir yang suhunya lebih tinggi,
tetapi arus bahang ini tidak sama besar. Disamping itu arus bahang
bukanlah satu-satunya hasil dalam proses tersebut, sebab masih ada
uasaha yang dilakukan pada mesin.Pernyataan Kelvin-Planck tentang
hukum kedua termodinamika adalah sebagia berikut:Suatu proses
siklik tidak mungkin terjadi bila satu-satunya hasil adalah arus
panas Q yang mengalir keluar dari suatu reservoir pada suhu
tertentu dan seluruhnya dapat diubah menjadi usaha mekanik.Proses
semacam ini andaikata dapat berlangsung tidak bertentangan dengan
hukum pertama termodinamika, namun akan kenyataan bertentangan
dengan hukum kedua termodinamika. Pada gambar 6, dilukiskan proses
tersebut jika dapat berlangsung.
Gambar 6. Arus panas yang mengalir keluar
Reservoir mengalami perubahan entropi sebesardan tak ada
kompensasi kenaikan entropi pada sistem lain. Oleh karena itu
proses tersebut tidak mungkin terjadi. Pada mesin pemanas besar
kerja itu tidak sama dengan seluruh arus bahang, disamping itu ada
sejumlah bahang yang masuk kedalam sistem (reservoir)
kedua.Pernyataan Clausius tentang hukum kedua termodinamika
menunjukkan bahwa efisiensi termal sesuatu mesin pemanas atau
koefisien penampilan mesin pendingin mempunyai batas atas. Pada
gambar 7 (a) dilukiskan sebuah mesin bahang yang beroperasi antara
dua reservoir dengan suhu T1dan T2, (T2> T1). Sedangkan pada
gambar (b) dilukiskan sebuahrefrigeratoryang juga beroperasi antara
T1dan T2.Gambar (a) yaitu sebuah mesin bahang yang beroperasi
antara sepasang reservoir dengan suhu T1dan T2. Menurut asas
entropi, maka perubahan asas entropinya
adalah(4-6)Atau(4-7)Atau(4-8)Atau(4-9)Gambar 7. (a) Mesin bahang;
(b)Refrigerator
Ruas kanan pada persamaan diatas adalah efisiensi termal mesin
Carnot. Karena itu dapat disimpulkan bahwa efisiensi termal
maksimum suatu mesin yang beroperasi antara dua reservoir sama
dengan efisiensi termal mesin Carnot yang beroperasi antara dua
reservoir yang suhu-suhunya sama.Gambar (b) melukiskan
sebuahrefrigeratoryang beroperasi antara dua reservoir dengan suhu
T1dan T2.Andaikan sejumlah massa air yang suhunya T1didinginkan
agar menjadi es. Setelah menempuh sejumlah siklus sejumlah bahang
Q1telah dipindahkan dari air, sejumlah kerja telah diberikan kepada
refrigerator dan sejumlah bahangQ2= Q1+ Wtelah dilepaskan ke dalam
reservoir T2.Perubahan entropi :1)Untuk massa air(4-10)2)Untuk
refrigeran(4-11)3)Untuk reservoir(4-12)Jika diterapkan asas entropi
:(4-13)Atau(4-14)Atau(4-15)(Dimsiki Hadi, 1993: 201-205)
Wmindapat digunakan untuk memperkirakan biaya minimum bagi
refrigerator.
C.Kesetaraan Perumusan Kelvin-Planck dan ClausiusGambar 8. (a)
Motor bakar; (b) Pesawat pendingin
Jika ditinjau sepintas, seakan-akan kedua perumusan itu tidak
kena mengena. Tetapi dapat ditunjukkan bahwa sebenarnya kedua
perumusan itu setara, dalam arti kalau perumusan Clausius tidak
benar, perumusan Kelvin-Planck pun tidak benar pula. Demikian juga
sebaliknya. Secara simbolik, sebuah motor bakar dinyatakan seperti
terlukis dalam gambar 8 (a) dan pesawat pendingin seperti gambar 8
(b).1.Misalkan perumusan Clausius tidak benar.Jika demikian halnya,
dapatlah dibuat pesawat pendingin yang dapat memindahkan kalor dari
reservoir dingin ke reservoir panas tanpa usaha dari luar yang
digunakan serempak dengan motor bakar biasa. Dalam hal ini,
diusahakan agar pesawat dingin itu mampu menyerap seluruh kalor
yang oleh motor bakar diberikan kepada reservoir dingin sehingga
diperoleh gabungan yang terlukis seperti gambar berikut ini :
Gambar 9. Gabungan antara pendingin yang menentang Clausius
dengan motor-bakar biasa T1
Gambar 10. Hasil akhir gabungan
Adapun hasil gabungan ini adalah :Reservoir T2menerima
kalorQ2dari motor bakar, tetapi kalor sebesar ini pula diambil oleh
pesawat pendingin. Jadi netto, reservoirT2ini mendapat maupun
kehilangan kalor.Ini berarti reservoirT2tidak diperlukan.Gambar 11.
Gabungan antara pesawat yang menentang Kelvin Planck dengan pesawat
pendingin biasa.
ReservoirT1menerima kalor sebanyak Q2 dari pesawat pendingin,
tetapi memberikan kalor Q1 > Q2 kepada motor bakar.Jadi netto,
reservoir itu kehilangan kalor sebanyakQ1- Q2. Tetapi motor bakar
itupun melakukan usaha sebanyakQ1- Q2. Jadi, dapat disimpulkan
bahwa reservoir T1memberikan kalorQ1- Q2kepada gabungan itu, dan
gabungan itu melakukan usaha sebanyakW = Q1-Q2. Jika demikian
halnya, gabungan ini merupakan pesawat yang menentang persamaan
Kelvin-Planck. Jadi, Kalau perumusan Clausius tidak benar, maka
perumusan Kelvin-Planck pun tidak benar pula.
2.Misalkan perumusan Kelvin-Planck tidak benar.Dalam hal ini,
seseorang dapat membuat pesawat yang menyerap kalor dari sebuah
reservoir dan mengubah kalor itu menjadi usaha.Usaha dapat
digunakan untuk menjalankan pesawat pendingin biasa (gambar
11).Alhasil reservoir T1itu menerima kalor sebanyakQ2 + W-Q1=
Q2+Q1-Q1=Q2Sedangkan dari reservoirT2diambil kalor sebanyak Q2
juga. Jadi, gabungan itu memindahkan kalor Q2 dari reservoir dingin
(T2) ke reservoir panas (T1) tanpa perubahan lain apapun. Gabungan
ini bertentangan dengan perumusan Clausius. Dengan demikian,
perumusan Clausius setara dengan perumusan Kelvin-Planck.(Sutrisno
dan Tan Ik Gie, 1983: 206-207)D.REVERSIBEL DAN IREVERSIBELProses
yang tidak menyalahi hukum kedua, dapat dibagi menjadi dua macam,
yaitu reversibel dan ireversibel (terbalikkan dan tak terbalikkan).
Marilah kita tinjau suatu sistem terisolasi. Hukum kedua mengatakan
bahwa tidaklah mungkin terjadi suatu proses yang akan mengurangi
entropi. Andaikan sistem itu mengalami suatu proses dengan arah
yang kita sebut saja ke depan. Jika proses itu terjadi dengan
kenaikan entropi, maka andaikan terjadi proses sebaliknya (ke
belakang) pastilah akan disertai penurunan entropi dan ini tak
mungkin. Maka dikatakan bahwa proses yang terjadi ke arah depan itu
disebut ireversibel.Bila ada proses ke depan itu tidak terjadi
perubahan entropi maka pada proses sebaliknya juga tidak akan
terjadi perubahan entropi. Dengan demikian maka proses dapat
berlangsung ke arah manapun tanpa menyalahi hukum kedua. Proses
reversibel adalah proses yang tak menghasilkan entropi.Kebanyakan
proses yang nyata adalah ireversibel, namun banyak pula yang dapat
diidealkan sebagai proses reversibel. Beberapa proses demikian
misalnya adalah prosesproses berikut.1)Untai listrik dengan
kapasitor dan induktor, tanpa resistor.2)Kotak beroda pada rel
licin (tanpa gesekan) yang dihubungkan dengan satu ujung pegas,
ujung lain terikat pada dinding.3)Gas dalam bejana tertutup piston
yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan; piston dihubungkan dengan
satu ujung pegas dan ujung pegas yang lain terikat pada
dinding.(Dimsiki Hadi, 1993: 192-193)Misalkan sebuah sistem
mengalami suatu proses, berubah dari keadaan A ke keadaan B. jika,
sesudah proses itu selesai, sistem dan lingkungannya dapat
dikembalikan ke keadaan semula, sehingga pada hasil akhirnya tiada
kalor yang berpindah dan tiada usaha yang dilakukan, maka proses
tersebut disebut proses reversibel. Proses yang tidak memenuhi
syarat ini disebut proses ireversibel.Tinjaulah lagi proses
perpindahan kalor dari benda A (yang bertemperaturTA) ke benda B
(yang bertemperaturTB< TA), bila kedua buah benda itu
bersentuhan. Setelah kedua-duanya bertemperatur sama, T dapatkah
masing-masing di kembalikan kekeadaan semula? Dapat! Yang
diperlukan hanyalah dua buah reservoir: yang sebuah
bertemperaturTAdan yang lainTB.Kemudian benda A dibiarkan
bersentuhan dengan reservoirTA, benda B bersentuhan dengan
reservoirTB. Maka pada akhirnya benda A bertemperaturTAdan benda B
bertemperaturTB, seperti sebelum proses. Tetapi terjadi pula
perubahan lain di lingkungannya: reservoirTAkehilangan kalor
sebesarQ, sedang reservoirTBmenerima kalor sebesarQ. Dapatkah
kalorQdipindahkan dari reservoirTBke reservoirTAtanpa perubahan
lain? Jelas tidak dapat! Karena itulah proses tersebut dikatakan
ireversibel.Agar suatu proses reversibel haruslah dalam proses itu
tidak ada gesekan dan tidak ada pula ketidakseimbangan. Proses
seideal itu tidak mungkin ada. Kalau proses itu quasistatik dan di
dalamnya gesekan dapat diabaikan, cukuplah sudah proses itu
dianggap reversibel.(Sutrisno dan Tan Ik Gie, 1983:
208)E.Entropi1.Konsep entropiDalam suatu sistem dengan sejulah
koordinat termodinamik sebarang, semua kedadaan yang dapat dicapai
dari suatu keadaan mul tertentu melalui porses adiabatik
terbalikan, terletak ada suatu permukaan (atau hiperpermukaan)(t,
X, X,) = tetap. Seluruh ruang t, X,X , dapat dianggap dipotong oleh
sejumlah permukaan yng tak berpotongan sejenis ini, masing-masing
dengan hargayang berbeda. Dalam proses nonadiabat terbalikkan yng
menyankut pemindahan kalorQ, suatu sistem dalam keadaan yang
dinyatakan oleh titik yang terletak pada permukaanakan berubah
hingga titik keadaanya terletak pada permukaan lain+ d. Telah kita
lihat bahwa(4-16)dengan 1/menyatakan faktor integrasi dariQ, yang
bias dinyatakan melalui=(t) f ()(4-17)Sehingga Q =(t) f
().(4-18)Karena tempertur Kelvin T didefinisikan sedemikian
sehinggaT/T = Q/ Q, dengansama untuk kedua pemindahan kalor itu,
makaT = k(t),(4-19)Dengan kenyatakan tetapan sembarang.
Jadi,(4-20)Karenamerupakan fungsi sebenarnya dari t,X,X,., maka
ruas kanan merupakan diferensial saksama yang akan diberi
lambingdS, sehingadS=,
(4-21)Tikalas R ditulis untuk menekankan bahwaQharus dipindahkan
secara terbalikkan. Kuantitas S disebut entropi sistem,
dandSmenyatakan perubahan entropi infinitesimal dari sistem. Dalam
perubahan keadaan yang berhingga dari I ke f, perubahan entropinya
ialah-, dengan-=
(4-22)(Zemansky Dittman, hal: 201-202)Dalam siklus Carnot
disebutkan bahwaadalah bahang yang masuk ke dalam sistem danbahang
yang keluar dari sistem. Apabila masing-masing diberi tanda yang
berbeda. Bahang yang masuk kedalam sistem yaitudiberi tanda positif
dan bahangyang keluar dari sistem diberi tanda negatif karena itu
untuk siklus Carnot.(4-23)Atau0(4-24)Gambar 12. Proses siklis
reversibel dapat didekati dengan sejumlah besar siklus Carnot.
Selanjutnya ditinjau suatu proses siklik reversibel sebarang
seperti yang terlukis pada gambar 12, berupa satu kurva tertutup.
Proses semacam ini dapat didekati sedekat-dekatnya oleh sejumah
besar siklus carnot kecil-kecil dengan arah yang sama.
Bagian-bagian adiabatik siklus-siklus itu dilalui dua kali dengan
arah yang berlawanan, sehingga saling melenyapkan. Hasil
keseluruhannya menjadi suatu garis bergerigi yang tertutup. Jika
siklus-siklusitu dibuattak terhinggakecil, maka bagian-bagian
adiabatik seluruhnya saling melenyapkan, sementara bagian-bagian
isotermal tidak.Jika suatu siklus kecil beroperasi antara
suhudandengan aliran bahang yang berkaitandan,untuk maka untuk
siklus itu berlaku persamaan(4-25)Jika dijumlahkan untuk semua
siklus, diperoleh(4-26)Indeks r digunakan untuk menunjukkan bahwa
proses itu reversible. Dalam keadaan limit, jika siklus siklus itu
dibuat tak terhingga kecil, maka proses yang terbentuk seperti gigi
gergaji itu menjadi sangat dekat dengan proses siklik aslinya.
Tanda sigma di atas boleh diganti dengan tanda integral tertutup.
Jadi(4-27)Besaran Q seperti sudah dijelaskan, bukanlah fungsi
keadaan, sehinggabukan differensial eksak. Tetapi/ T adalah
differensial eksak yang untuk selanjutnya akan diberi lambangdS.
BesaranSinilah yang disebut entropi dan merupakan fungsi keadaan.
Jadi(4-28)Persamaan (4-27) dapat ditulis menjadi(4-29)Satuan S
dalam sistem SI atau MKS adalah. Entropi adalah besaran ekstentif
yang bila dibagi dengan jumlah massa m atau jumlah mol n menjadi
entropi jenis s.atauSatuan entropi jenis s menjadi J.atau J.dalam
sistem SI dan J.dalam satuan MKS.(Dimsiki Hadi, 1993:
193-195)Gambar 13. Proses reversibel sebarang (garis penuh dan
mulus), di tumpangi oleh sederet siklus Carnot (garis
putus-putus).
Dalam Gambar 13 terlukis proses reversible sebarang (garis penuh
dan mulus), diumpangi oleh sederet siklus carnot (garis putus
putus). Jika siklus itu dibuat makin halus dan makin banyak, maka
sederet siklus itu hasilnya makin mendekati siklus semula. Dalam
limitnya bolehlah dikatakan siklus semula itu digantikan oleh
sederet siklus Carnot.Untuk sebuah siklus Carnot yang menerima
kalorpada tempereturdan memberikan kalorpada
temperaturberlakulah(4-30)Karena= -(sebab< 0), maka(4-31)Atau+=
0.(4-32)Untuk sederet siklus Carnot diperoleh= 0Jika siklus Carnot
diperhalus dan diperbanyak, makadan penjumlahan dapat diganti oleh
integrasi:(4-33)Dalam ungkapan inimenyatakan bahwa integrasi
dilakukan dalam siklus (ialah siklus semula). Siklus itu dapat
dianggap terjadi dari dua bagian:danmengikuti arah anak panah
terlukis. Dengan demikian integral itu juga dapat dianggap terjadi
dari dua bagian:(4-34)KarenaKita peroleh(4-35)Gambar 15. Berbagai
proses reversibel antara keadaan 1 dan 2.
Gambar 14. Integral dalam siklus
Atau.(4-36)
Bagian B pada siklus B dapat diganti oleh proses lain, misalnya
C, asalkan C ini reversibel pula (gambar 15). Dengan penalaran yang
sama kita peroleh=.(4-37)Penalaran ini dapat diteruskan, sehingga
kita peroleh== (4-38)Maka dapatlah kita simpulkan bahwa harga,
hanya bergantung pada titik awal (keadaan 1) dan titik akhir
(keadaan 2) tidak pada proses khusus, asalkan proses reversibel.
Dengan demikian dapat dituliskan= S (2) S (1).(4-39)R menyatakan
proses reversibel sebarang. Karena= S (2) S (1).Dapat dituliskan
pula= dS.(4-40)Besaran S merupakan fungsi keadaan, disebut
entropi;dSmerupakan diferensial eksak. Dalam matematika dikatakan
1/T sebagai faktor integrasi, ialah faktor yang membuat diferensial
tidak eksak () menjadi diferensial eksak (dS). Perlu ditekankan
lagi bahwa hal ini berlakuhanya untuk prosesreversibel. Untuk
proses irevesibel, berlaku.(4-41)Contoh: Kita tinjau sistem yang
bertemperatur T-dT bersentuhan dengan reservoir yang bertemperatur
T. maka sistem menerima kalorQ secara reversible, entropinya
berubah dengan=Q/T. Reservoir kehilangan kalor, berarti menerima Q,
entropinya berubah dengand= -Q/T. Dalam proses ini dalam alam
terjadi perubahan entropi=+=-= 0(4-42)Bagaimana halnya jika beda
temperatur antara sistem dan reservoir itu finit? misalkan
temperatur reservoir, temperatur sistem mula-mula>. Misalkan
pula sistem mempunyai kapasitas termal C (tetap). Maka sistem
menerima kalor sebesarQ == C (-.(4-43)Reservoir menerima kalor
sebesar Q = - C (-). Karena reservoir itu mempunyai sifat
temperatur tetap, walaupunmenerima kalor (berarti kapasitas
termalnya besar sekali) maka proses dalam reservoir itu reversibel
(sebab quastitatik dan tidak ada gesekan).Perubahan entropi
reservoir:=-=-C(4-44)Untuk menghitung perubahan entropi sistem,
haruslah dibayangkan suatu proses reversibel yang mengubah
temperatur sistem darimenjadi. Hal ini dilakukan misalnya dengan
sederet reservoir (Gb.3.10), sebab dalam proses ireversibel kita
tidak dapat menghitung entropi, tetapi bahwa keadaan awal dan akhir
sistem itu seimbang telah diketahui. Maka== C.(4-45)Dalam alam
terjadi perubahan entropi=+= C.(4-46)Dapat dituliskan== 1
+.Kalau/kecil, dapat dituliskan pula/)/.MakaC ( -+) > 0
sebab>(4-47)Demikian pula jika 0 juga.(kalau/tidak kecil,lebih
besar lagi!)Dari contoh ini tampak bahwa bila terjadi pross
ireversibel, entropi dalam alam ini bertambah.Kalau proses yang
terjadi itu benar-benar reversibel, misalnya sederet reservoir itu
dan=+= - C+- C= 0.(4-48)Jadi dalam perjalanan proses reversible
ini, dalam alam tidak terjadi perubahan entropi.Dapat ditunjukkan
(tetapi tidak disini) bahwa tiap proses yang terjadi dalam alam
timbul perubahan entropiS0.Tanda = dalam ungkapan ini berlaku untuk
proses reversibel, dan tanda > untuk proses ireversibel. Ini
disebutazas entrop ,azas ini merupakan perumusan Hukum II
Termodinamika pula.Untuk sistem yang dilingkupi oleh dinding
adiabatik, lingkupan sistem tidak terpengaruh oleh proses yang
terjadi dalam sistem.Untuk proses dalam sistem itu=
Gambar 16. Benda berbeda temperatur, bersentuhan dan
terisolasi
Jika dalam sistem yang tertutup ini mula-mula terdapat
ketidakseimbangan, maka terjadilah proses yang menuju keseimbangan.
Selama proses ini terjadi,sebab proses ini ireversibel.Setelah
keseimbangan tercapai, proses itu berhenti dan tiada perubahan
entropi lagi, ini berarti bahwa dalam proses menuju keseimbangan
itu entropi sistem menuju ke harga maksimumnya. Untuk latihan
dapatlah kita menghitung perubahan entropi yang terjadi bila dua
buah benda yang semula berbeda temperaturnya bersentuhan. Lingkupi
kedua benda itu dengan dindingadiabatik (gambar 17) walaupun secara
keseluruhan Q = 0.(Sutrisno dan Tan Ik Gie,
1983:213-217)2.Perubahan EntropiGambar 17. Pemuaian bebas dari
suatu gas ideal. (a) Gas tersebut dibatasi ke sebelah kiri dar
wadah yang diisolasi oleh keran tertutup. (b) Pada saat keran
dibuka, gas berdesakan mengisi seluruh wadah. Proses ini disebut
ireversibel yaitu tidak terjadi dalam arah sebaliknya. Gas
mengumpul secara spontan di sebelah kiri dari wadah.
Gambar 17 (a) menunjukkan gas dalam keadaan setimbang
awalnyaidibatasi oleh keran tertutup disebelah kiri dari wadah yang
terisolasi secara termal. Apabila kita membuka keran tersebut, gas
akan berdesakan untuk mengisi seluruh wadah, pada akhirnya mencapai
keadaan kesetimbangan akhir f seperti yang di tunjukkan digambar 17
(b). Hal ini adalah sebuah proses ireversibel.Kurvap-Vdari proses
dalam gambar 18 menunjukkan tekanan dan volume dari suatu gas dalam
keadaan awalnyaidan keadaan akhirf. Tekanan dan volume adalah sifat
keadaan, sifat yang bergantung hanya pada kondisi gas dan tidak
pada bagaimana gas mencapai kondisi itu. Sifat keadaan yang lain
adalah suhu dan energi. Sekarang kita menganggap bahwa gas masih
memilki sifat keadaan yang lain entropinya. Lebih dari itu, kita
definisikan perubahan dalam entropidari suatu sistem selama suatu
proses yang membuat sistem dari keadaan awalike keadaan akhir f
sebagai=-=(4-49)
Gambar 18. Diagramp Vmenunjukkan keaadan awalikeadaan akhirfdari
pemuaian bebas dari Gambar 17. Keadaan intermediat dari gas tidak
dapat ditunjukkan karena gas-gas tersebut tidk berada dalam keaadan
setimbang.
DisiniQadalah energi yang dipindahkan sebagai kalor ke atau dari
sistem dalam satuan Kelvin. Jadi, perubahan entropi tidak
bergantung hanya pada perindahan kalor, tetapi juga pada suhu
dimana perpindahan terjadi. KarenaTselalu bernilai positif,
tandasama sepertiQ. kita lihat dari pers. (4-49) bahwa satuan SI
untuk entropi dan perubahan entropi adalah joule per Kelvin.Namun
terdapat masalah dalam menerapkan pers. (4-49) untuk pemuaian bebas
dari gambar 17. Pada saat gas berdesakan untuk mengisi seluruh
wadah, maka tekanan, suhu, dan volume dari gas akan berfluktuasi
tanpa dapat diduga. Artinya, gas-gas itu tidak memiliki urutan
nilai kesetimbangan yang didefinisikan dengan baik selama keadaan
intermediate dari perubahan dari keadaan kesetimbangan awalike
keadaan kesetimbangan akhirf. Jadi, kita tidak dapat mengikuti
lintasan tekanan volume untuk pemuaian bebas pada kurvap- Vdari
gambar 18 dan lebih penting lagi, kita tidak dapat menemukan
hubungan antaraQdanTyang memungkinkan kita untuk mengintegrasikan
sebagai pers (4-49) yang diperlukan.Namun, apabila entropi
sungguh-sungguh suatu sifat keadaan, perbedaan dalam entropi antara
keadaanidanfharus bergantung hanya pada keadaan itu dan bukan pada
semua cara sistem berubah dari suatu keadaan ke keadaan yang lain.
Misalnya, kita mengganti pemuaian bebas ireversibel dari gambar 17
dengan proses reversible yang menghubungkan keadaanidanf. dengan
proses reversible, kita dapat mengikuti lintasan tekanan volume
pada kurvap-Vdan kita dapat menemukan hubungan antaraQdanTyang
membuat kita dapat menggunakan pers 17 untuk mendapatkkan perubahan
entropi.Telah diketahui bahwa suhu dari suatu gas ideal tidak
berubah selama pemuaian bebas;== T. jadi, titikidanfdalam gambar 18
harus berada pada isotermal yang sama. Proses penempatan yang
sesuai dengan keadaanike keadaanf, yang sebenarnya berjalan
sepanjang isotermal tersebut. Selanjutnya, karenaTadalah konstan
diseluruh pemuaian isotermal reversibel, integral dari Pers. (4-49)
adalah penyederhanaan yang sangat baik.Gambar 19 menunjukkan
bagaimana menghasilkan pemuaian isotermal reversibel seperti
demikian. Kita membatasi gas pada suatu tabung terisolasi yang diam
pada reservoir termal yang dijaga pada suhuT. Kita mulai dengan
menempakan peluru timah secukupnya pada piston penggerak sehingga
tekanan dan volume dari gas berada dalam keadaan awalidari gambar
17 (a). Kemudian kita menggerakkan peluru secara perlahan (sepasang
demi sepasang) hingga tekanan dan volume gas berada pada keadaan
akhir f dari gambar 17 (b). Suhu dari gas tidak berubah, karena gas
masih dalam kontak termal dengan reservoir sepanjang proses
tersebut.
Gambar 19. Pemuaian isotermal dari gas ideal dilakukan dalam
cara reversibel. Gas tersebut memiliki keadaan awaliyang sama dan
keadaan akhirfyang sama seperti di dalam proses ireversibel dari
Gambar 17 dan 18.
Pemuaian isotermal reversibel dari gambar 19 sangat berbeda
secara fisik dari pemuaian bebas ireversibel dari gambar 17.
Bagaimanapun, kedua proses ini memiliki keadaan awal yang sama dan
keadaan akhir yang sama maka harus memiliki perubahan entropi yang
sama.Karena kita memindahkan peluru timah secar perlahan, keadaan
intermediate dari gas merupakan keadaan kesetimbangan. Jadi, kita
dapat memplotkan pada diagramp-V
Untuk menerapkan persamaan (4-49) pada pemuaian isotermal, kita
mengambi suhu konstanTdi luar integral sehingga diperoleh=Karena=Q.
denganQadalah energi total yang dipindahkan sebagai kalor selama
proses, kita memiliki=-=(4-50)Untuk mempertahankan suhuTdari gas
konstan selama pemuaian isotermal dari gambar 19, kalorQharus sudah
dipindahkan dari reservoir ke gas. Jadi,Qbernilai positif dan
entropi dari gas betambah selama proses isotermal dan selama
pemuaian bebas dari Gambar 17.Apabila perubahan suhudari suatu
sistem relatif kecil untuk suhu (dalam Kelvin) sebelum dan sesudah
proses, perubahan entropi dapat dihampirkan
sebagai:=-(4-51)Denganadalah suhu rata-rata dari sistem selama
proses.(Halliday Resnick, 2010: 35-37)
3.Asas kenaikan entropiDari pembahasan proses-proses ireversibel
dalam pasal terdahulu, didapatkan bahwa entropi semesta (universe)
selalu naik. Hal ini juga benar untuk semua proses ireversibel yang
sudah dapat dianalisis. Kesimpulan ini dikenal sebagai asas
kenaikan entropi dan dianggap sebagai bagian dari Hukum Kedua
Termodinamika. Asas ini dapat dirumuskan sbb.Entropi semesta selalu
naik pada tiap proses ireversibel.Jika semua system berinteraksi di
dalam suatu proses dilingkungi dengan bidang adiabatik yang tegar,
maka semua itu membentuk sistem yang terisolasi sempurna dan
membentuk dunianya sendiri. Karena itu dapat dikatakan bahwa
entropi dari suatu sistem yang terisolasi sempurna selalu naik
dalam tiap proses ireversibel yang terjadi dalam sistem itu.
Sementara itu entropi tetap tidak berubah dalam sistem yang
terisolasi jika sistem itu menjalani proses reversibel. Karena itu
secara lengkap Hukum Kedua Termodinamika dapat dirumuskan sbb.Pada
setiap proses yang terjadi di dalam sistem yang terisolasi, entropi
sistem tsb, selalu naik atau tetap tidak berubah.(Dimsiki Hadi,
1993: 200-201)4.Menghitung perubahan entropi dalam proses
reversibelDalam proses adiabatik, 6Q = 0, dan dalam proses
adiabatik reversibel= 0. Oleh karena itu dalam setiap program
adiabatik reversibeldS = 0 atau ini berarti bahwa entropiStetap.
Proses demikian ini disebut pula sebagai proses isentropik. Jadi= 0
dandS= 0Dalam proses isotermal reversibel, suhu T tetap, sehingga
perubahan entropi-===(4-52)Untuk melaksanakan proses semacam ini
maka sistem dihubungkan dengan sebuah reservoir yang suhunya
berbeda. Jika arus bahang mengalir masuk ke dalam sistem,
makapositif dan entropi sistem naik. Jika arus bahang keluar dari
sistem,negatif dan entropi sistem turun.Contoh proses isotermal
reversibel ialah perubahan fase pada tekanan tetap. Arus bahang
yang masuk kedalam per satuan massa atau per mol sama dengan bahang
transformasi 1, sehingga perubahan entropi jenisnya
menjadi-=(4-53)Dalam kebanyakan proses suatu arus bahang yang masuk
kedalam sistem secara reversibel umumnya disertai oleh perubahan
suhu, sehingga perhitungan perubahan entropi dari pers. (4-52) suhu
T tidak boleh dikeluarkan dari tanda integral. Jika proses terjadi
pada volume tetap, maka 6q=dT, sehingga-=(4-54)Jika proses terjadi
pada tekanan tetap, 6q=dTdan-=(4-55)Pada umumnyadanberubah dengan
suhu sehingga tak boleh dikeluarkan dari tanda integral dalam pers.
(4-54) dan (4-55). Untuk menghitung integral tersebut. Harus
diketahuidansebagai fungsi suhu. Jikadanboleh dianggap tetap, maka
hasil integral itu menjadi=(4-56)=(4-57)Jika dalam proses terdapat
arus bahang antara sistem dengan lingkungannya secara reversibel,
maka pada hakekatnya suhu sistem dan suuhu lingkungan adalah sama.
Besar arus bahang ini yang masuk kedalam lingkungan yang disetiap
titik adalah sama, tetapi harus diberi tanda yang berlawanan.
Karena itu perubahan entropi lingkupan sama besar tetapi berlawanan
tanda dengan perubahan entropi sistem dan jumlahnya menjadi nol.
Karena sistem bersama dengan lingkungannya membentuk dunia, maka
boleh dikatakan bahwa entropi dunia adalah tetap. Hendaknya diingat
bahwa pernyataan ini hanya berlaku untuk proses reversibel
saja.(Dimsiki Hadi, 1993; 195-197)Entropi berbeda dengan energi,
yaitu tidak mematuhi hukum kekekalan. Energi dari suatu sistem
tertutup adalah kekal; energi selalu tetap. Untuk proses
ireversibel, entropi dari suatu sistem tertutup selalu bertambah.
Karena sifatnya ini, perubahan entropi kadang-kadang disebut panah
waktu.Terdapat dua cara yang ekuivalen untuk mendifinisikan
perubahan entropi pada suatu sistem.a.Dalam istilah dari suhu
sistem dan energi, perubahan entropi akan mendapat atau kehilangan
kalor.b.Dengan menghitung cara atom atau molekul yang membentuk
sistem dapat disusun ulang.5.Entropi merupakan ukuran dari
ketidakteraturanEntropi dapat dianggap sebagai ukuran dari
ketidakteraturan. Jika dikaitkan dengan pernyataan umum hukum kedua
termodinamika, bisa dikatakan bahwapada proses
ireversibel,ketidakteraturan cenderung bertambah.Dengan kata
lain,setiap proses ireversibel pada dasarnya menuju ke keadaan yang
tidak teratur.Perlu diketahui bahwa konsep entropi pada mulanya
hanya dihubungkan dengan proses ireversibel yang berkaitan dengan
perubahan bentuk energi dan perpindahan energi. Setelah terlepas
dari tangkainya dan jatuh bebas hingga mencium tanah, buah mangga
tidak pernah meluncur ke atas lagi. Buku yang kita dorong lalu
berhenti tidak pernah bergerak kembali ke arah kita. Ini adalah
beberapa contoh proses ireversibel yang berkaitan dengan perubahan
bentuk energi dan perpindahan energi dari satu benda ke benda yang
lain. Proses tersebut hanya berlangsung pada satu arah saja, tetapi
tidak pernah berlangsung pada arah sebaliknya. Buah mangga tidak
pernah meluncur ke atas dengan sendirinya karena energi dalam
berubah menjadi energi kinetik.Buku tidak pernah meluncur ke arah
kita karena kalor atau panas yang timbul akibat gesekan berubah
menjadi energi kinetik.Proses ireversibel yang terjadi di alam
semesta ternyata tidak hanya berkaitan dengan perubahan bentuk
energi dan perpindahan energi. Setelah dilahirkan, kita bertumbuh
menjadi bayi, anak-anak, remaja, dewasa lalu menjadi tua lapuk dan
akhirnya mati dimakan cacing. Apakah kamu pernah melihat seorang
tua berubah menjadi bayi? Tidak pernah.Handphoneyang kita pakai
lama kelamaan menjadi kusam dan rusak, mobil baru yang pada mulanya
licin dan bertenaga menjadi kurang licin dan lemas tak bertenaga
setelah dirimu pakai selama beberapa tahun. Apakah dirimu pernah
lihat mobil tua tiba-tiba saja menjadi baru lagi?
AtauHandphonekesayanganmu setiap hari semakin licin dan bagus?
Tidak pernah. Setelah dipakai,handphonemenjadi kusam dan rusak,
begitu juga mobil. Ini adalah beberapa contoh proses ireversibel
yang tidak ada hubungannya dengan perubahan bentuk energi dan
perpindahan energi. Setelah menyadari bahwa semua proses alamiah
yang terjadi di alam semesta bersifat ireversibel maka konsep
entropi menjadi meluas. Pembahasannya tidak hanya meliputi proses
termodinamika saja tetapi mencakup banyak proses ireversibel
lainnya di alam semesta.Sekarang mari kita bahas beberapa proses
ireversibel yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Terlebih
dahulu kita tinjau sebuah proses ireversibel sederhana berikut. Ini
hanya pengantar saja, biar dirimu paham dengan konsep entropi serta
kaitannya dengan proses ireversibel. Lihat gambar berikutGambar 21.
Proses ireversibel sederhana
Terdapat sejumlah kelereng berwarna merah dan biru. Kelereng
tersebut dimasukkan ke dalam sebuah wadah. Kelereng yang berwarna
biru disusun secara rapi di bagian dasar, sedangkan kelereng
berwarna merah disusun secara rapi di bagian atas(gambar
kiri).Susunan kelerengmu dalam wadah tampak sangat teratur Sebelah
bawahnya biru semua, sebelah atasnya merah semua. Selanjutnya
mengocok atau mengguncangkan wadah naik turun. Karena wadah
digerakkan naik turun maka susunan kelereng yang pada mulanya
sangat teratur berubah menjadi tidak teratur lagi(gambar
kanan).Kelereng berwarna merah dan biru campur aduk menjadi satu
Semakin diguncang, susunan kelereng menjadi semakin tak teratur.
Mungkin-kah setelah diguncang-guncang, susunan kelereng menjadi
teratur seperti semula? Kelereng tidak mungkin menjadi teratur
seperti semula.Ini merupakan sebuah contoh proses ireversibel atau
tidak dapat balik. Setelah mengalami proses ireversibel, susunan
kelereng yang pada mulanya sangat teratur berubah menjadi tidak
teratur. Keteraturan telah berubah menjadi ketidakteraturan.Hal
yang sama terjadi pada proses ireversibel lainnya. Ketika kita
menyentuhkan benda panas dan benda dingin, kalor akan mengalir
dengan sendirinya dari benda panas menuju benda dingin.Kalor
berhenti mengalir setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai
suhu yang sama. Proses ini bersifat ireversibel. Pada mulanya kita
mempunyai dua susunan molekul, yakni molekul yang mempunyai energi
kinetik rata-rata yang besar(molekul-molekul penyusun benda
panas)dan molekul yang mempunyai energi kinetik rata-rata yang
kecil(molekul-molekul penyusun benda dingin).Setelah benda panas
dan benda dingin mencapai suhu yang sama(molekul-molekul telah
mempunyai energi kinetik rata-rata yang sama), dua susunan molekul
tadi tidak bisa kita bedakan lagi. Susunan molekul-molekul yang
pada mulanya teratur berubah menjadi tidak teratur. Mirip seperti
susunan kelereng di atas, setelah kedua benda mencapai suhu yang
sama, keteraturan susunan molekul berubah menjadi ketidakteraturan
(ketidakteraturan bertambah akibat adanya perpindahan kalor yang
bersifat ireversibel).Lebih jauh lagi, aliran kalor dari benda
panas menuju benda dingin bisa dianggap seperti aliran kalor dari
daerah bersuhu tinggi menuju daerah bersuhu rendah pada mesin
kalor. Adanya aliran kalor dari daerah bersuhu tinggi menuju daerah
bersuhu rendah membuat mesin kalor bisa melakukan kerja. Mesin
kalor tidak bisa melakukan kerja apabila tidak ada aliran kalor.
Dengan demikian, kita bisa membuat hubungan antara ukuran
ketidakteraturan dengan kemampuan melakukan kerja. Setelah mencapai
suhu yang sama, tidak ada lagi aliran kalor dari benda panas menuju
benda dingin (ketidakteraturan bertambah). Karena tidak ada aliran
kalor membuat mesin kalor tidak bekerja maka kita bisa mengatakan
bahwa sistem yang tidak bisa melakukan kerja memiliki
ketidakteraturan yang tinggi, sebaliknya sistem yang bisa melakukan
kerja memiliki ketidakteraturan yang rendah.Dari hasil ini, kita
bisa membuat kesimpulan mengenai hubungan antara bentuk energi
dengan ukuran ketidakteraturan. Pada dasarnya bentuk energi yang
bisa digunakan untuk melakukan kerja adalah energi potensial.Energi
potensial gravitasi air bisa digunakan untuk menggerakan
turbin.Energi potensial kimia pada minyak bisa digunakan untuk
menggerakan kendaraan. Energi potensial kimia dalam tubuh bisa kita
gunakan untuk melakukan kerja, jalan-jalan, belajar. Energi
potensial gravitasi buah mangga bisa digunakan untuk membocorkan
atap rumah.Karena bentuk energi yang berguna bisa digunakan untuk
melakukan kerja maka kita bisa mengatakan bahwa bentuk energi yang
berguna tersebut lebih teratur, sebaliknya bentuk energi yang tidak
berguna lebih tidak teratur. Bentuk energi yang tidak berguna
adalah energi dalam dan kalor alias panas. Setelah mencium tanah,
buah mangga tidak pernah meluncur ke atas lagi karena energi dalam
berubah menjadi energi kinetik. Setelah kita mendorong buku, buku
tersebut bergerak. Adanya gaya gesekan membuat buku berhenti
bergerak. Untuk kasus ini, energi kinetik buku telah berubah
menjadi kalor alias panas (panas timbul akibat adanya gesekan).
Dalam kenyataannya buku yang sedang diam tidak meluncur kembali ke
arah kita karena kalor alias panas berubah menjadi energi kinetik.
Dua contoh ini menunjukkan bahwa kalor alias panas merupakan dua
bentuk energi yang tidak berguna. Bentuk energi yang tidak berguna
tidak bisa digunakan untuk melakukan kerja. Dengan demikian kita
bisa mengatakan bahwa kalor alias panas dan energi dalam memiliki
ketidakteraturan yang tinggi.Pada dasarnya proses perubahan bentuk
energi, dari bentuk energi yang berguna menjadi bentuk energi yang
tidak berguna selalu menaikkan ketidakteraturan. Lebih mudahnya,
entropi selalu bertambah selama proses perubahan bentuk energi,
karena entropi selalu bertambah seiring berlalunya waktu maka semua
bentuk energi yang berguna tersebut akan berubah bentuk menjadi
tidak berguna. Energi akan selalu kekal dalam proses perubahan
bentuk energi, tetapi bentuk energi yang teratur dan bisa digunakan
untuk melakukan kerja berubah bentuk menjadi tidak teratur dan
tidak bisa digunakan untuk melakukan kerja.Entropi = panah
waktuEntropi disebut juga sebagai panah waktu, karena bisa
mengatakan kepada kita mengenai arah berjalannya waktu. Arah proses
pada setiap proses alami adalah menuju ke keadaan yang tidak
teratur. Apabila kita melihat kejadian yang sebaliknya, yakni
keadaan tidak teratur dengan sendirinya berubah menjadi teratur,
kita bisa mengatakan bahwa kejadiannya terbalik. Jika kita melihat
serpihan-serpihan gelas yang tercecer di lantai mengumpul lagi dan
membentuk gelas hingga utuh seperti semula, kita bisa mengatakan
bahwa peristiwa tersebut terbalik. Hal tersebut tidak pernah
terjadi dalam kehidupan kita setiap hari dan jika terjadi maka itu
melangggar hukum kedua termodinamika.Dalam hal ini, waktu tidak
pernah berjalan mundur dan ketidakteraturan tidak pernah berubah
dengan sendirinya menjadi keteraturan. Hal yang paling mungkin
terjadi dan selalu terjadi dalam kehidupan kita adalah keteraturan
selalu bergerak menuju ketidakteraturan, waktu selalu berjalan
maju, tidak mundur. Jika seorang tua berubah menjadi bayi, hal
tersebut kita anggap tidak normal dan melanggar hukum kedua
termodinamika. Atau tiba-tiba saja seseorang mengatakan bahwa ia
datang dari tahun 2036 (Jhon Titor) adalah sesuatu yang aneh dan
melanggar arah proses alami.F.Mesin CarnotGambar 22. Siklus dalam
mesin Carnot
Tinjauan gas ideal (2 isotermal, 2 adiabatik)ab = isotermal (T =
konstan)= 0=pV = nRT(gas ideal)= -dV=== - nRT= -nR= - W =
nR(4-58)(kalor masuk)bc = adiabatikQ = 0dU = WdU =dTU=dT
=(-)=(-)(4-59)cd = isotermal= +nR=== - nRT(4-60)da = adiabatik ==
+(-)=(-)=+++= -nR+(-) + nR-(-)= nR- nR(4-61)Efisiensi
mesin====efisiensi Carnot(4-62)Atau
=== 1 - == 1 - =ataudan
=
(4-63)
Siklus Carnot = reversibel, karena proses isotermal kuasistatik
dan karena proses adiabatik kuasistatik mengakut usaha.Jadi semua
siklus reversibel berefisiensi sama jika berharga antara tandon
yang tertentu.(HUKUM II)Dari siklus Carnot diperoleh hubungan:=-=+=
0 atau= 0artinya :Siklus reversibel =siklus Carnot= 0(HUKUM
II)Perluasan konsep :+< 00
Makna := 0(a)+= 0(a)-= 0tidak bergantung pada jenis lintasan ,
asalkan reversibelfungsi (1),fungsi (2),fungsi keadaan disebut
entropi = suatu fungsi keadaan yang bergantung pada jumlah kalor
yang masuk dan keluar=atauQ = T dS
perluasan :< 0sembarang
reversibel
+< 0
BAB IIIPENUTUPKESIMPULAN
Hukum termodinamika kedua dapat dinyatakan dalam beberapa cara
yang ekivalen:1.Kalor mengalir secara spontan dari benda yang panas
ke yang dingin, tetapi tidak sebaliknya;2.Tidak akan ada 100 persen
efisiensi mesin kalor--- artinya yang merubah sejumlah kalor
seluruhnya menjadi kerja;3.Proses alami cenderung menuju ketidak
teraturan yang lebih besar atau entropi yang lebih besar.Pernyataan
(3) merupakan pernyataan yang paling umum dari hukum termodinamika
kedua dan dapat dinyatakan kembali sebagai: entropi total,S, dari
sistem manapun ditambah entropi lingkungannya bertambah sebagai
akibat dari proses alami:S> 0.Entropi merupakan ukuran
kuantitatif ketidakteraturan sistem. Dengan berlalunya waktu,
energi menurun menjadi bentuk yang lebih tidak berguna---yaitu
lebih tidak memadai untuk melakukan kerja yang berguna.
DAFTAR PUSTAKAHadi, Dimsiki. 1993.Termodinamika. Yogyakarta:
Departemen Pendidikan dan Kebudayaan.Kanginan, Marthen. 2007.Fisika
untuk SMA Kelas XI. Jakarta: Erlangga.Halliday dkk.
2010.Dasar-Dasar Fisika Versi Diperluas. Tanggerang: Binapura
Aksara.Jamal, M. Arifuddin. --.Handout Fisika Dasar I. Belum
dipublikasikan.Sutrisno dan Tan Ik Gie. 1983.Seri Fisika Dasar
(Listrik, Magnet dan Termofisika Listrik). Bandung: ITB.Zemansky,
Sears. 2000.Fisika untuk Universitas I. Jakarta: Erlangga.
