Hukum Termodinamika 1 dan 2 Serta Konsep Entropi

Bagaimana kalor dideskripsikan perubahannya ketika menjadi energi lain?
Bagaimana kalor dideskripsikan perubahannya ketika menjadi energi lain?.

Sudah tidak bisa dihitung lagi seberapa banyak aplikasi pada ilmu engineering yang menggunakan energi panas untuk keperluan tertentu, seperti sepeda motor, mobil, pembangkit listrik, roket, dan masih banyak lagi.

Banyaknya karya-karya tersebut tentu tidak lepas dari kemampuan energi yang bisa berubah wujud. Dan dalam pembahasan kali ini, yaitu tentang termodinamika, intinya kita akan membahas bagaimana energi panas dapat berhubungan dengan bentuk energi lainnya.

Daftar Isi

Termodinamika I

Menarik untuk diketahui seberapa besar usaha yang telah dilakukan oleh energi panas, misal dalam menggerakkan piston seperti ilustrasi di bawah. Contoh di bawah mungkin agak terlihat abstrak, tapi tujuannya untuk kemudahan. Karena akan lebih kompleks ketika menggunakan implementasi nyata yang ada di dunia ini, misal pembakaran untuk menggerakkan piston sepeda motor.

Energi panas dikonversi menjadi energi mekanik dengan mendorong sebuah piston

Pada pembahasan mengenai teori kinetik gas, kita sudah mengetahui bahwa ketika ada peningkatan suhu gas , ada juga peningkatan volume gas yang hubungannya berbanding lurus.

Ketika kita perhatikan ilustrasi di atas, apabila penutupnya rapat, dapat digeser ke atas atau ke bawah, dan tentunya memiliki massa, maka ada usaha yang dilakukan oleh gas ketika penutup bergerak ke atas. Pergerakkan tersebut terjadi karena ada ekspansi volume gas, sedangkan ekspansi tersebut terjadi karena ada peningkatan suhu gas.

Peningkatan suhu diakibatkan karena adanya energi panas yang diberikan oleh tungku. Sebenarnya ada banyak cara untuk beranjak dari titik 1 ke titik tujuan yaitu titik 2. Bisa kita gunakan apinya besar (menjaga tekanan tetap tinggi) tapi sebentar, bisa juga apinya kecil (menggunakan tekanan yang lebih rendah) tapi cukup lama, dan lainnya.

Tidak Bergantung Prosesnya

Tapi ada satu hal yang menarik, tidak peduli bagaimana proses terjadi, ada satu hal yang sama pada setiap proses tersebut. Hal tersebut adalah perubahan energi yang dialami oleh gas.

Sifat ketidakbergantungannya terhadap proses dalam perubahan tersebut dinamakan konservatif, artinya, misal perubahan energi gas adalah \Delta E, maka perubahan tersebut hanya akan bergantung pada kondisi awal dan akhirnya saja.

Jika gas di dalam wadah diberikan kalor sebesar Q, dimisalkan tidak ada konduktor lain yang menerima kalor tersebut. Jika penutup telah bergerak sehingga melakukan usaha sebesar W. Perubahan energi yang dialami oleh gas yaitu \Delta E = Q - W, dan besarnya tidak bergantung pada proses yang terjadi.

Dan fenomena tersebut dituangkan kedalam hukum yang dinamakan Termodinamika I.

Perubahan kalor yang dialami oleh sebuah sistem besarnya adalah selisih antara kalor yang diterima dan usaha yang dilakukan sistem.

Entropi

Pembahasan tentang entropi ini cukup menantang karena pada umumnya penjelasannya begitu abstrak sehingga sulit dibayangkan (apalagi dimengerti).

Begini deh sebagai gambaran awal, kalian pasti pernah menyemprot parfum dalam kamar tidur kalian kan, misal pas mau berangkat sekolah. Saat itu juga, biasanya habis mandi dan kamar benar-benar tertutup, baik jendela maupun pintu rapat, kipas angin ataupun itu sedang mati, dan angin diluar mendekati tidak ada. Pokoknya bener-bener terisolir.

Kalian semprot tuh parfum ke baju aja, mungkin ada lah sedikit yang gak kena baju dan akhirnya berada di udara. Nah kalau kalian teliti coba amati, kenapa wanginya bisa sampai sudut kamar yang jauh dari posisi kalian saat menyemprot parfum. Sebelumnya, sebagai info aja, jadi parfum itu awalnya cairan, tapi setelah disemprot berubah menjadi gas.

Sifat entropi suatu gas

Nah jadi intinya, entropi ini suatu ukuran bagaimana sebuah partikel gas menyebar (dalam artian mengisi) ke seluruh ruangan di mana dia berada. Ketika sudah mencapai titik ekuibriliumnya, maka entropi ini tidak bisa meningkat lagi nilainya.

Jika besar nilai suatu entropi sebanding dengan persebarannya, artinya nilai entropi ini tidak akan pernah mengalami penurunan terhadap nilai entropi awalnya. Dan memang hal sebaliknya pun nampaknya sulit teradi, seperti sudah menyemprot, malah wanginya numpuk di sudut kamar aja, kecuali ada intervensi dari suatu alat.

Persamaan Entropi

Dengan begitu, perubahan entropi \Delta S selalu bernilai positif, secara matematis entropi diekspresikan dengan persamaan berikut:

\Delta S = S_f - S_i = \int_{i}^{f} \frac{dQ}{T}

Termodinamika II

Karena suhu yang dideskripsikan menggunakan satuan kelvin tidak mengandung bilangan negatif (karena minimalnya adalah 0, kalian bisa baca pembahasan mengenai suhu dan perpindahan kalor). Dengan demikian nilai perbedaan entropi sendiri akan bergantung pada \int_{i}^{f} dQ, alias total energi yang diserap.

Bila total energi yang diserap sebesar \int_{i}^{f} dQ = Q, maka perubahan entropinya menjadi \Delta S = \frac{Q}{T}. Persamaan tersebut dapat mengekspresikan entropi pada kondisi di mana suhu dijaga tetap sama, alias isotermal.

Nah sekarang apa jadinya ketika, penutup pada ilustrasi sebelumnya kita tekan dengan sengaja, bukankah perbedaan entropinya akan menjadi negatif?

Kalau dari sudut pandang kalornya, tentu gas akan melepaskan kalornya kepada tungku, membuat \int_{i}^{f} dQ < 0. Lalu, jika dari sudut pandang persebaran partikelnya tentu akan membuat persebarannya menjadi lebih sempit.

Namun sejatinya, kita perlu memandangnya dari sudut pandang yang lebih luas, karena faktanya entropi selalu positif berlaku untuk proses yang irreversible alias tidak bisa balik dengan sendirinya. Pada contoh ini ada pengaruh luar berupa dorongan dari tangan kita untuk memampatkan gas.

Jika kita lihat sistem secara keseluruhan, tidak hanya gasnya saja, namun beserta tungku, maka total kalor dalam sistem tersebut tetaplah sama. Meskipun jika dilihat dari persebarannya tentu ruang lingkup sistem kita tidak lah sebesar seperti yang pertama, karena volumenya mengecil akibat proses pemampatan.

Jadi pada bagian yang satu ini, tentang hukum termodinamika II, dijelaskan bahwa \Delta S bernilai positif ketika prosesnya irreversible. Dan akan bernilai nol alias tidak mengalami perubahan ketika prosesnya reversible.

Artinya entropi tidak akan pernah mengalami pengurangan. Tapi perlu diingat, hal tersebut berlaku jika sistem yang dianggap terisolir atau tertutup, alias tidak ada faktor eksternal.

Label

Komentar

Search icon