Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

Artikel ini akan mengulas secara singkat mengenai entropi, proses reversibel, dan ekspansi bebas adiabatik. Sering kali konsep tersebut tidak menjadi bagian dalam konsep fisika yang diajarkan dilingkungan sekolah.

Kita awali kembali dengan mengingat hukum ke nol termodinamika. Hukum ke-nol menjelaskan mengenai keadaan setimbang dua benda atau lebih yang melakukan interkasi termal (secara sederhana hukum ini berbicara konsep suhu benda). Kemudian hukum pertama termodinamika menuju pada konsep internal energi atau hukum kekekalan energi. Sedangkan hukum kedua termodinamika menuju pada suatu fungsi kedaan lain yang disebut entropi. Pembahasan entropi meluaskan kajian hukum kedua termodinamika dari mesin kalor terhadap menuju evolusi proses alami seperti reaksi kimia. Secara sederhana, tinjauan entropi akan dimulai dengan meninjau siklus mesin Carnot (Carnoh). 

Jika kita meninjau sebuah siklus yang reversibel proses tersebut dapat dibagi kedalam sejumlah siklus Carnot (lihat gambar a). Dalam bahasa matematik siklus reversibel tersebut dapat dinyatakan dalam jumlah semua siklus Carnot.

Persamaan di atas berlaku untuk sejumlah siklus yang terbatas (finite), ketika jumlah siklus tidak terbatas (infinite), persmaan di atas dinyatkan dalam bentuk integral tertutup. Apa artinya nilai sama dengan nol dari persamaan di atas? Hal tersebut menyatakan bahwa siklus yang terjadi harus berlangsung secara reversibel atau proses yang terjadi berlangsung secara kuasistatik. Dengan melihat grafik (b) menunjukkan bahwa entropi tidak bergantung lintasan hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir. Sehingga perubahan entropi dapat dinyatakan sebagai berikut ini.

Kerena entropy hanya bergantung keadaan awal dan akhir, hal tersebut menunjukkan bahwa entropi merupakan fungsi keadaan seperti energi dalam. Meskipun persamaan di atas dibatasi untuk proses reversibel. Perubahan entropi untuk proses yang irreversibel dapat didekati dengan menerapkan proses reversibel yang cocok untuk keadaan awal dan akhir dari keadaan setimbang.

Proses Reversibel dan Ekspansi Bebas Adiabatik: Keadaan fungsi entropi dapat disimpulkan dengan meninjau sebuah proses reversibel dengan mengambil keadaan gas ideal dari awal dan akhir dalam kedaan setimbang. Perubahan enetropi untuk gas ideal dengan proses reversibel dapat dituliskan sebagai berikut.

Perubahan entropi akan berbeda untuk kasus ekspansi bebas adibatik. Dalam kasus ini gas ideal berada dalam keadaan adibatik kemudian mengalami perubahan volume dari awal menunju akhir. Karena sistem adibatik, tidak ada pertukaan kalor kedalam sistem sehingga perubahan energi dalam sistem nol. Kalau perubahan energi dalam sistem nol, perubahan suhu sistem akan nol yang menunjukkan sistem mempunyai suhu yang tetap. Sehingga persamaan keadaan perubahan entropi hanya bergantung pada volume awal dan akhir.

Jika volume akhir lebih besar daripada volume awal, entropi sistem meningkat. Tetapi perlu dipahami bahwa perubahan entropi lingkungan tidak mengalami perubahan atau nol. Dengan demikian, entropi semesta akan lebih besar dari nol.