Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika
22,7 Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika
Menurut definisi, perhitungan perubahan entropi untuk sistem memerlukan
informasi tentang lintasan reversible yang menghubungkan keadaan ekuilibrium awal
dan akhir. Untuk menghitung perubahan entropi untuk proses real (irreversible),
ingat bahwa entropi (seperti energi internal) hanya bergantung pada keadaan
dari sistem. Artinya, entropi adalah variabel keadaan, dan perubahan entropi
hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir.
Anda dapat menghitung perubahan entropi dalam beberapa proses irreversible
antara dua keadaan kesetimbangan dengan merancang proses reversible (atau
serangkaian proses reversible) antara dua keadaan yang sama dan komputasi ∆S = ∫dQr/T
untuk proses reversible. Dalam proses irreversible, adalah penting untuk
membedakan antara Q, transfer aktual energi dalam proses, dan Qr,
energi yang seharusnya ditransfer oleh kalor sepanjang lintasan reversible.
Hanya Qr merupakan nilai yang benar untuk digunakan dalam
menghitung perubahan entropi.
Jika kita perhatikan sistem dan sekitarnya untuk mencakup seluruh alam
semesta, alam semesta selalu bergerak menuju sebuah macrostate probabilitas lebih tinggi, sesuai
dengan gangguan yang lebih besar. Karena entropi adalah ukuran
ketidakteraturan, alternatif cara menyatakan perilaku ini adalah sebagai
berikut:
Entropi dari alam semesta meningkat dalam semua proses
nyata. (Pernyataan entropi dari
hukum kedua Termodinamik)
Pernyataan ini merupakan kata-kata lain
dari hukum kedua termodinamika yang dapat ditunjukkan untuk menjadi setara
dengan pernyataan Kelvin-Planck dan pernyataan Clausius.
Ketika berhadapan dengan sistem yang tidak terisolasi dari lingkungannya,
mengingat bahwa peningkatan entropi yang dijelaskan dalam
hukum kedua adalah bahwa sistem dan sekitarnya. Ketika sistem dan sekitarnya
berinteraksi dalam proses irreversible, peningkatan entropi yang satu
lebih besar dari penurunan entropi yang lain. Oleh karena itu, perubahan
entropi alam semesta harus lebih besar dari nol untuk proses irreversible dan
sama dengan nol untuk proses reversible. Pada akhirnya, karena proses
sebenarnya adalah irreversible, entropi alam semesta harus meningkat terus dan
akhirnya mencapai nilai maksimum. Pada nilai ini, alam semesta akan berada
dalam keadaan suhu dan kepadatan yang seragam. Semua proses
fisik, kimia, dan biologi akan berhenti pada saat ini karena keadaan gangguan
sempurna menyiratkan bahwa tidak ada energi yang tersedia untuk melakukan usaha.
Keadaan suram ini kadang-kadang disebut sebagai heat death kematian
kalor alam semesta.
Perubahan Entropi dalam Konduksi Thermal
Mari kita sekarang perhatikan sistem yang terdiri dari reservoir panas
dan reservoir dingin yang berada dalam kontak termal antara satu sama lain dan
terisolasi dari seluruh alam semesta. Sebuah proses yang terjadi selama energi
Q ditransfer oleh kalor dari reservoir kalor pada suhu Th ke
reservoir dingin pada suhu Tc. Proses seperti yang dijelaskan adalah irreversible (energi tidak akan secara spontan mengalir dari dingin ke panas),
jadi kita harus menemukan proses reversible setara. Karena suhu reservoir tidak
berubah selama proses tersebut, kita bisa mengganti proses nyata untuk setiap
reservoir dengan reversible, proses isotermal dimana jumlah energi yang sama
ditransfer oleh kalor. Akibatnya, untuk reservoir, perubahan entropi tidak
tergantung pada apakah proses ini reversible atau irreversible.
Karena reservoir dingin menyerap energi Q, kenaikan entropi sebesar Q/Tc.
Pada saat yang sama, reservoir kalor kehilangan energi Q, sehingga perubahan
entropi adalah -Q/Th. Karena Th > Tc,
peningkatan entropi reservoir dingin lebih besar dari penurunan entropi
reservoir kalor. Oleh karena itu, perubahan entropi dari sistem (dan alam
semesta) lebih besar dari nol:
Misalkan energi mentransfer spontan dari benda dingin ke benda kalor,
yang melanggar hukum kedua. Transfer energi yang tidak mungkin ini dapat
digambarkan dalam hal gangguan. Sebelum transfer, derajat tertentu dari orde yang dikaitkan dengan temperatur yang
berbeda dari objek. Molekul objek panas memiliki
energi rata-rata lebih tinggi dari molekul objek yang dingin. Jika energi secara spontan ditransfer dari objek dingin ke objek kalor, benda
dingin menjadi lebih dingin selama suatu interval waktu dan objek panas
menjadi lebih panas. Perbedaan energi molekul rata-rata menjadi
lebih besar, yang akan mewakili peningkatan orde untuk sistem dan
pelanggaran hukum kedua.
Sebagai perbandingan, proses yang terjadi secara alami
adalah transfer energi dari benda panas ke benda dingin.
Dalam proses ini, perbedaan rata-rata energi molekul menurun,
yang merupakan distribusi energi yang lebih acak dan peningkatan gangguan.
Perubahan Entropi dalam Pemuaian Bebas
Mari kita kembali perhatikan pemuaian bebas adiabatik gas yang menempati
volume awal Vi (Gambar 22.14). Dalam situasi ini,
membran memisahkan gas dari daerah yang dikosongkan dan gas mengembang ke volume Vf. Proses ini
irreversible, gas tidak akan secara spontan mendesak ke setengah volume setelah mengisi seluruh volume. Apa perubahan entropi
gas dan alam semesta selama proses ini? Proses ini tidak reversible atau
kuasi-statis. Seperti ditunjukkan dalam Bagian 20.6, suhu awal dan akhir dari
gas adalah sama.
Untuk menerapkan Persamaan 22.9, kita tidak bisa mengambil Q = 0, nilai
untuk proses irreversible, tetapi sebaliknya harus menemukan Qr,
yaitu kita harus menemukan lintasan reversible yang setara yang berbagi keadaan awal
dan akhir yang sama. Sebuah pilihan sederhana adalah, pemuaian isotermal reversible
dimana gas mendorong perlahan terhadap piston sementara energi memasuki gas
oleh kalor dari reservoir untuk menahan suhu konstan. Karena T adalah konstan
dalam proses ini, Persamaan 22.9 memberikan:
Untuk proses isotermal, hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa
Karena Vf > Vi, kita
menyimpulkan bahwa ∆S adalah positif. Hasil positif menunjukkan
bahwa kedua entropi dan gangguan peningkatan gas sebagai akibat dari irreversible,
pemuaian adiabatik.
Sangat mudah untuk melihat bahwa gas lebih tidak teratur setelah pemuaian. Bukannya terkonsentrasi dalam ruang yang
relatif kecil, molekul tersebar di wilayah yang lebih besar.Sangat mudah untuk melihat bahwa gas lebih tidak teratur setelah pemuaian. Bukannya terkonsentrasi dalam ruang yang
relatif kecil, molekul tersebar di wilayah yang lebih besar.
Karena pemuaian bebas berlangsung dalam wadah terisolasi, tidak ada
energi yang ditransfer oleh kalor dari lingkungan. (Ingat bahwa isotermal, pemuaian
reversible hanya proses penggantian yang digunakan untuk
menghitung perubahan entropi untuk gas. Itu bukan proses yang sebenarnya) Oleh
karena itu, pemuaian bebas tidak berpengaruh pada lingkungan, dan perubahan
entropi lingkungan adalah nol (Serway, 2010:641-643).
Post a comment for "Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika"