Hukum Kedua Termodinamika, Entropi dan Ketidakteraturan
Hukum Kedua Termodinamika, Entropi dan Ketidakteraturan
Oleh: Faridatul Jannah✨
Oleh: Faridatul Jannah✨
Termodinamika merupakan bahasa Yunani yang terdiri dari
kata thermos dengan arti panas dan dynamic dengan arti perubahan titik.
Sehingga, termodinamika dapat diartikan sebagai energi fisika, panas, kerja,
entropi dan kespontanan proses. Pada awalnya, termodinamika merupakan ilmu yang
digunakan untuk mempelajari mesin panas (hot
engine). Dengan mesin panas ini, kerja yang berguna dapat diperoleh dengan
pengubahan kalor. Sekitar abad 19, beberapa ilmuwan mempercayai bahwasannya
fluida yang tidak bermassa atau biasa disebut dengan kalori (sesuatu yang dapat
mengalir dari temperature tinggi menuju temperature rendah) sebagai kalor. Akan
tetapi, tidak semua kalor yang mengalir tersebut dapat diubah menjadi kerja
yang berguna. Baik tenaga ledakan mesin maupun uap, tidak seutuhnya dapat
diubah menjadi kerja. Oleh karena itu, setiap mesin panas harus memiliki
besaran efisiensi tertentu. Menurut para ilmuwan hal tersebut sangatlah menarik
dan menambah rasa ingin tahu ilmuwan pada efisiensi mesin. Sehingga, untuk
dapat meningkatkan efisiensi yang setinggi-tingginya, para ilmuwan mencoba
beberapa cara dan mempelajari lebih dalam mengenai efisiensi dari sebuah mesin
panas. Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1823) adalah teknisi muda dan
merupakan salah satu ilmuwan yang mempelajari lebih dalam mengenai efisiensi sebuah
mesin panas. Carnot mengemukakan bahwa pada efisiensi suatu mesin panas terdapat
suatu batasan yang dipengaruhi oleh dua temperature yang bekerja di antara
mesin panas tersebut. Efisiensi dari suatu mesin dapat meningkat apabila kalor
yang dilepas dan gerakan mesin yang bergesekan dapat berkurang. Untuk dapat
merealisasikan hal tersebut, mesin panas harus diisolasi terlebih dahulu. Batasan
kerja akan selalu didapat dari kalor yang diberikan pada temperature tinggi ke
rendah, walaupun mesin panas sudah dibuat seideal mungkin. Konsep dari Carnot
ini merupakan cikal bakal dari adanya hukum kedua termodinamika, meskipun pada
saat itu Carnot belum memformulasikan hukum kedua termodinamika.
Ilmuwan berikutnya yang juga berperan dalam memformulasikan
hukum kedua termodinamika adalah William Thomson (1824-1907) atau lebih
familiar sebagai Lord Kelvin. Penemuan Lord Kelvin berhubungan dengan skala
temperature absolut. Penemuan Lord Kelvin disebut sebagai nol mutlak (0 K),
yang merupakan batasan terendah dari suatu temperature, sehingga tidak ada
temperature yang lebih rendah dari nol mutlak tersebut. Pada dasarnya, Lord
Kelvin memberikan formulasi hukum kedua termodinamika yang berbunyi “tidak mungkin bagi kita untuk dapat mengubah
kalor sepenuhnya menjadi kerja”. Selain kedua ilmuwan yang telah disebutkan
sebelumnya, Rudolf Clausius (1822-1888) juga merupakan ilmuwan yang berperan
penting dalam penemuan formulasi untuk hukum kedua termodinamika. Clausius mengemukakan
bahwa kalor hanya akan mengalir dari temperature tinggi menuju temperature rendah
dan tidak mungkin terjadi proses sebaliknya pada saat system dalam keadaan
terisolasi Pernyataan dari Lord Kelvin dan Clausius tampak tidak berhubungan,
tetapi dapat dilihat bahwa dua pernyataan tersebut sepadan. Temperature panas
yang menyimpan kalor tentulah dapat dikonversi menjadi kerja apabila kalor
dapat mengalir dari temperature rendah menuju temperature tinggi. Oleh karena
itu, jika pernyataan dari Clausius kita langgar maka secara otomatis kita telah
melanggar pernyataan dari Lord Kelvin.
Selanjutnya, mari kita bayangkan ada sebuah truk dengan sekat
di tengahnya, dimana pada salah satu sisi truk diisi dengan gas hingga penuh dan
pada sisi yang lain adalah vakum. Jika kita membuka sekat tersebut, maka pada
sisi yang vakum akan terisi dengan gas pula akibat dari penyebaran gas dari
salah satu sisi truk. Kemudian bayangkan jika pada sisi yang vakum diisi dengan
beberapa jenis gas yang berbeda dari sisi lainnya, lalu sekat ditengah-tengah
truk dibuka kembali. Maka, pencampuran gas akan terjadi secara alamiah. Peristiwa
tersebut merupakan peristiwa yang terjadi secara alami. Maka, pernahkah kalian
berpikir bisakah peristiwa tersebut terjadi secara berkebalikan? Misalnya saja tiba-tiba
seluruh gas yang mengisi ruangan beralih hanya pada satu sisi, atau tiba-tiba dua
gas dengan jenis berbeda yang berbaur tadi berkumpul dengan jenis gasnya masing-masing
dan saling memisahkan diri. Bayangkan jika peristiwa sebaliknya terjadi pada gambar
di bawah ini, apakah bisa hal tersebut terjadi? Hal tersebutlah yang dimasksud
dalam pernyataan Clausius.
(a) Keseimbangan terjadi antara dua gas dengan suhu yang berbeda
(b) Ruang yang lebih luas akan ditempati pada saat proses ekspansi (peluasan) gas
(c) Dua gas mengalami proses pencampuran
Dengan mengamati proses
tersebut, Clausius mencoba untuk menjelaskannya dengan menyatukan dan
mengeneralisaikan semua proses dalam suatu prinsip baru. Dari sinilah istilah entropi
terbentuk. Dengan konsep tersebut, pernyataan mengenai hukum kedua
termodinamika dibentuk dan hingga saat ini pernyataan tersebut sering kita jumpai
yaitu “Entropi pada proses spontan dalam
system terisolasi tidak pernah berkurang”.
Berdasarkan pengamatan pada system makroskopik yang telah
dilakukan tersebut, terbentuklah Hukum Kedua Termodinamika (Entropi). Selama
ini entropi dikenal sebagai ketidakteraturan (disorder), yaitu apabila konfigurasi atom-atom (microstate) dalam
system menjadi semakin tidak teratur, maka dapat dikatakan bahwa entropi pada
system tersebut semakin meningkat.
Berdasarkan contoh yang
sangat sedikit, entropi dikonsep sebagai pengukur ketidakteraturan (measure of disorder). Contoh yang sangat
sedikit tersebut bahkan seringkali gagal dalam menjelaskan konsep entropi
sebagai pengukur ketidakteruran. Kata ‘ketidakteraturan’ digunakan untuk
mempermudah dalam memahami makna dari entropi yang didasarkan pada pengamatan terhadap
definisi entropi yang disampaikan oleh Boltzman. Akan tetapi dalam penjelasan
Boltzmann mengenai tingkat kebebasan
molekul pada suatu sistem (entropi), tidak pernah digunakan kata
‘ketidakteraturan’. Tingkat kebebasan system yang dipengaruhi oleh aliran
energy merupakan penyebab dari perubahan entropi, akan tetapi dalam hal ini makna
entropi yang digunakan adalah terlalu monoton
pada ‘ketidakteraturan’. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa
entropi bukanlah pengukur kekacauan atau ketidakteraturan, tetapi entropi merupakan
sebuah variable yang dapat digunakan untuk mengukur tingkat kebebasan molekul
dalam system dan antara system dengan lingkungannya. Berikut adalah contoh yang
menjelaskan bahwasannya entropi bukanlah ‘ketidakteraturan’
- Ekspansi (Peluasam) Gas Pada Vakum
Berikut adalah salah
satu contoh yang dapat memberikan gambaran bahwa entropi bukanlah pengukur ‘ketidakteraturan’.
Berdasarkan gambar di atas, sistem mengalami kenaikan entropi. Apakah kita bisa mengatakan bahwa nomer 1 lebih teratur dibandingkan dengan nomer 2? Oleh karenanya, makna ‘ketidakteraturan’ dalam hal ini memiliki keambiguan, sehingga kita tidak bisa membenarkan pernyataan hanya dari sudut pandang definisi kita.
2. Perbandingan Atom Berat Dengan Atom Ringan
Suatu Gas Monoatomik
Atom
Kripton akan bergerak lebih lambat dibandingkan dengan atom Helium pada
temperature yang sama. Jika kita menggunakan ‘ketidakteraturan’ sebagai konsep
entropi, maka pasti kita akan mengira bahwasannya entropi dari atom Krypton adalah
lebih rendah daripada entropi atom Helium, karena atom Kripton bergerak lebih lambat/pelan
sehingga tingkat ‘ketidakteraturan’-nya akan rendah. Akan tetapi, perkiraan
yang demikian adalah keliru. Pada keadaan
dasar (ground state), entropi Krypton sebesar 164 J/Kmol
sedangkan entropi Helium sebesar 126 J/Kmol. Mengapa terjadi hal tersebut? Hal
tersebut terjadi karena Helium memiliki massa yang lebih kecil dibandingkan
dengan Kripton sehingga Helium memiliki momentum dengan interval yang lebih
kecil yang menyebabkan level antara energinya memiliki jarak yang semakin jauh sehingga
microstate (tingkat kebebasan) molekulnya menjadi lebih sedikit walaupun Helium
bergerak lebih cepat.
Daftar Pustaka
Atkins,
PW. Kimia Fisika Jilid 2 Edisi Keempat.
Jakarta: Penerbit Erlangga
(diakses pada tanggal 23
(diakses pada tanggal 23 Maret
Maret 2020)
Komentar