Hukum Kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses mana yang terjadi secara alami dan mana yang memerlukan kerja dari luar. Untuk sistem terisolasi, entropi total tidak dapat berkurang, sehingga kalor mengalir spontan dari suhu tinggi ke suhu rendah, bukan dari suhu rendah ke suhu tinggi.

Salah satu pernyataan yang umum adalah

$$\Delta S_{total} \ge 0$$

untuk sistem terisolasi. Tanda sama dengan berlaku pada batas reversibel. Kenaikan yang benar-benar positif adalah kasus yang umum di dunia nyata karena proses nyata memiliki irreversibilitas.

Apa yang Diberitahukan Hukum Kedua

Hukum pertama memberi tahu bahwa energi kekal. Hukum kedua memberi tahu apakah suatu proses dapat terjadi dengan sendirinya dan apa batas-batasnya.

Itulah sebabnya hukum ini penting. Hukum ini menjelaskan mengapa secangkir kopi panas mendingin di dalam ruangan, mengapa lemari es memerlukan masukan kerja, dan mengapa bahkan mesin kalor ideal tidak dapat mengubah seluruh kalor yang diserap menjadi kerja.

Entropi adalah besaran yang melacak arah ini. Anda tidak perlu bergantung pada gagasan samar tentang "ketidakteraturan" untuk menggunakannya dengan baik. Untuk sebagian besar soal tingkat awal, aturan kuncinya sederhana: periksa apakah entropi total sistem terisolasi tetap sama atau bertambah.

Kapan Anda Dapat Menggunakan $\Delta S = Q_{rev}/T$

Untuk perpindahan kalor reversibel pada suhu konstan $T$, perubahan entropinya adalah

$$\Delta S = \frac{Q_{rev}}{T}$$

Syaratnya penting. Ini bukan jalan pintas untuk setiap soal perpindahan kalor. Jika perpindahannya irreversibel atau suhu berubah selama proses, Anda memerlukan perhitungan entropi yang lebih cermat.

Contoh Pembahasan: Mengapa Kalor Mengalir Dari Panas ke Dingin

Misalkan $100\ \mathrm{J}$ kalor keluar dari reservoir panas pada $500\ \mathrm{K}$ dan masuk ke reservoir dingin pada $300\ \mathrm{K}$. Anggap setiap reservoir tetap pada suhu konstan seperti yang dinyatakan.

Untuk reservoir panas,

$$\Delta S_{hot} = \frac{-100}{500} = -0.20\ \mathrm{J/K}$$

Untuk reservoir dingin,

$$\Delta S_{cold} = \frac{100}{300} \approx 0.33\ \mathrm{J/K}$$

Jadi perubahan entropi total adalah

$$\Delta S_{total} = \Delta S_{hot} + \Delta S_{cold} \approx -0.20 + 0.33 = 0.13\ \mathrm{J/K}$$

Totalnya positif, jadi proses ini diizinkan oleh hukum kedua. Contoh ini menangkap gagasan utamanya: ketika kalor berpindah dari panas ke dingin, reservoir yang lebih dingin memperoleh entropi lebih besar daripada entropi yang hilang oleh reservoir yang lebih panas.

Jika Anda membayangkan proses ini dibalik tanpa menambahkan kerja, tandanya akan berbalik dan $\Delta S_{total}$ akan bernilai negatif. Itu akan melanggar hukum kedua, itulah sebabnya kalor tidak mengalir spontan dari dingin ke panas.

Kesalahan Umum pada Hukum Kedua

Salah satu kesalahan umum adalah menganggap hukum kedua hanya sebagai aturan aliran kalor. Hukum ini juga menetapkan batas efisiensi. Mesin kalor dapat mengubah sebagian kalor menjadi kerja, tetapi tidak seluruhnya selama satu siklus.

Kesalahan lain adalah menggunakan $\Delta S = Q/T$ tanpa memeriksa syaratnya. Bentuk yang aman di sini adalah untuk perpindahan kalor reversibel pada suhu konstan.

Kesalahan ketiga adalah berhenti setelah meninjau satu bagian sistem. Satu benda tunggal dapat kehilangan entropi. Yang penting adalah perubahan entropi total dari seluruh sistem terisolasi.

Di Mana Anda Menggunakan Hukum Kedua

Hukum kedua muncul dalam mesin kalor, lemari es, fisika atmosfer, kimia, ilmu material, dan biologi. Dalam soal kelas, hukum ini biasanya muncul dalam salah satu dari tiga bentuk: ke arah mana kalor bergerak, apakah suatu proses mungkin terjadi, atau berapa efisiensi terbaik yang mungkin dicapai.

Jika suatu soal melibatkan siklus, perbedaan suhu, atau entropi, biasanya inilah hukum yang Anda perlukan.

Coba Soal Serupa

Cobalah versi Anda sendiri dari contoh reservoir dengan suhu yang berbeda. Pertahankan jumlah kalor tetap, ubah suhu reservoir panas dan dingin, lalu lihat bagaimana perubahan entropi total merespons. Itu adalah cara cepat untuk membangun intuisi sebelum beralih ke mesin kalor atau lemari es.