Bagaimana energi dihasilkan, bagaimana diubah dari satu bentuk ke bentuk lain, dan apa yang terjadi pada energi dalam sistem tertutup? Semua pertanyaan ini dapat dijawab oleh hukum termodinamika. Hukum kedua termodinamika akan dibahas lebih rinci hari ini.
Hukum dalam kehidupan sehari-hari
Hukum mengatur kehidupan sehari-hari. Undang-undang jalan mengatakan Anda harus berhenti di rambu-rambu berhenti. Pemerintah menuntut untuk memberikan sebagian dari gaji mereka kepada negara bagian dan pemerintah federal. Bahkan yang ilmiah dapat diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya, hukum gravitasi memprediksi hasil yang agak buruk bagi mereka yang mencoba terbang. Himpunan hukum ilmiah lain yang mempengaruhi kehidupan sehari-hari adalah hukum termodinamika. Jadi berikut adalah beberapa contoh untuk melihat bagaimana mereka mempengaruhi kehidupan sehari-hari.
Hukum Pertama Termodinamika
Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Ini juga kadang-kadang disebut sebagai hukum kekekalan energi. Jadi gimanaberlaku untuk kehidupan sehari-hari? Nah, ambil contoh komputer yang Anda gunakan sekarang. Itu memakan energi, tetapi dari mana energi ini berasal? Hukum pertama termodinamika memberitahu kita bahwa energi ini tidak bisa datang dari udara, jadi itu datang dari suatu tempat.
Anda dapat melacak energi ini. Komputer ditenagai oleh listrik, tetapi dari mana listriknya berasal? Itu benar, dari pembangkit listrik atau pembangkit listrik tenaga air. Jika kita mempertimbangkan yang kedua, maka itu akan dikaitkan dengan bendungan yang menahan sungai. Sungai memiliki hubungan dengan energi kinetik, yang berarti sungai mengalir. Bendungan mengubah energi kinetik ini menjadi energi potensial.
Bagaimana cara kerja pembangkit listrik tenaga air? Air digunakan untuk memutar turbin. Ketika turbin berputar, generator digerakkan, yang akan menghasilkan listrik. Listrik ini dapat dijalankan seluruhnya melalui kabel dari pembangkit listrik ke rumah Anda sehingga ketika Anda mencolokkan kabel listrik ke stopkontak listrik, listrik masuk ke komputer Anda sehingga dapat bekerja.
Apa yang terjadi di sini? Sudah ada sejumlah energi yang diasosiasikan dengan air di sungai sebagai energi kinetik. Kemudian berubah menjadi energi potensial. Bendungan kemudian mengambil energi potensial itu dan mengubahnya menjadi listrik, yang kemudian dapat memasuki rumah Anda dan menyalakan komputer Anda.
Hukum Kedua Termodinamika
Dengan mempelajari hukum ini, seseorang dapat memahami bagaimana energi bekerja dan mengapa segala sesuatu bergerak menujukemungkinan kekacauan dan kekacauan. Hukum kedua termodinamika disebut juga hukum entropi. Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana alam semesta muncul? Menurut Teori Big Bang, sebelum semuanya lahir, sejumlah besar energi berkumpul bersama. Alam Semesta muncul setelah Big Bang. Semua ini bagus, tapi energi macam apa itu? Pada awal waktu, semua energi di alam semesta terkandung di satu tempat yang relatif kecil. Konsentrasi intens ini mewakili sejumlah besar dari apa yang disebut energi potensial. Seiring waktu, itu menyebar ke seluruh bentangan alam semesta kita yang luas.
Pada skala yang jauh lebih kecil, reservoir air yang ditahan oleh bendungan mengandung energi potensial, karena lokasinya memungkinkannya mengalir melalui bendungan. Dalam setiap kasus, energi yang tersimpan, setelah dilepaskan, menyebar dan melakukannya tanpa upaya apa pun. Dengan kata lain, pelepasan energi potensial adalah proses spontan yang terjadi tanpa memerlukan sumber daya tambahan. Saat energi didistribusikan, sebagian diubah menjadi energi yang berguna dan melakukan beberapa pekerjaan. Sisanya diubah menjadi tidak dapat digunakan, cukup disebut panas.
Sementara alam semesta terus mengembang, ia mengandung semakin sedikit energi yang dapat digunakan. Jika kurang bermanfaat tersedia, lebih sedikit pekerjaan yang dapat dilakukan. Karena air mengalir melalui bendungan, itu juga mengandung energi yang kurang bermanfaat. Penurunan energi yang dapat digunakan dari waktu ke waktu disebut entropi, di mana entropi adalahjumlah energi yang tidak terpakai dalam sistem, dan sistem hanyalah kumpulan objek yang membentuk keseluruhan.
Entropi juga dapat disebut sebagai jumlah keacakan atau kekacauan dalam suatu organisasi tanpa organisasi. Saat energi yang dapat digunakan berkurang seiring waktu, disorganisasi dan kekacauan meningkat. Jadi, ketika energi potensial yang terkumpul dilepaskan, tidak semua ini diubah menjadi energi yang berguna. Semua sistem mengalami peningkatan entropi ini dari waktu ke waktu. Ini sangat penting untuk dipahami dan fenomena ini disebut hukum kedua termodinamika.
Entropi: peluang atau cacat
Seperti yang sudah Anda duga, hukum kedua mengikuti hukum pertama, yang biasa disebut sebagai hukum kekekalan energi, dan menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Dengan kata lain, jumlah energi di alam semesta atau sistem apa pun adalah konstan. Hukum kedua termodinamika biasanya disebut sebagai hukum entropi, dan menyatakan bahwa seiring berjalannya waktu, energi menjadi kurang berguna dan kualitasnya menurun seiring waktu. Entropi adalah tingkat keacakan atau cacat yang dimiliki suatu sistem. Jika sistem sangat tidak teratur, maka ia memiliki entropi yang besar. Jika ada banyak kesalahan dalam sistem, maka entropi rendah.
Dalam istilah sederhana, hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi suatu sistem tidak dapat berkurang dari waktu ke waktu. Ini berarti bahwa di alam segala sesuatu berubah dari keadaan teratur ke keadaan tidak teratur. Dan itu tidak dapat diubah. Sistem tidak pernahakan menjadi lebih teratur dengan sendirinya. Dengan kata lain, di alam, entropi suatu sistem selalu meningkat. Salah satu cara untuk memikirkannya adalah rumah Anda. Jika Anda tidak pernah membersihkan dan menyedotnya, maka segera Anda akan mengalami kekacauan yang mengerikan. Entropi telah meningkat! Untuk menguranginya, perlu menggunakan energi untuk menggunakan penyedot debu dan kain pel untuk membersihkan permukaan dari debu. Rumah tidak akan bersih sendiri.
Apa hukum kedua termodinamika? Rumusan dengan kata-kata sederhana mengatakan bahwa ketika energi berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, materi bergerak bebas, atau entropi (ketidakteraturan) dalam sistem tertutup meningkat. Perbedaan suhu, tekanan, dan kepadatan cenderung mendatar secara horizontal dari waktu ke waktu. Karena gravitasi, kepadatan dan tekanan tidak sama secara vertikal. Kepadatan dan tekanan di bagian bawah akan lebih besar daripada di bagian atas. Entropi adalah ukuran penyebaran materi dan energi di mana pun ia memiliki akses. Rumusan paling umum dari hukum kedua termodinamika terutama terkait dengan Rudolf Clausius, yang mengatakan:
Tidak mungkin membuat perangkat yang tidak menghasilkan efek lain selain perpindahan panas dari benda bersuhu lebih rendah ke benda bersuhu lebih tinggi.
Dengan kata lain, semuanya mencoba mempertahankan suhu yang sama dari waktu ke waktu. Ada banyak rumusan hukum kedua termodinamika yang menggunakan istilah yang berbeda, tetapi semuanya memiliki arti yang sama. Pernyataan Clausius lainnya:
Panas itu sendiri tidakdari dingin ke tubuh yang lebih panas.
Hukum kedua hanya berlaku untuk sistem besar. Ini menyangkut kemungkinan perilaku sistem di mana tidak ada energi atau materi. Semakin besar sistem, semakin besar kemungkinan hukum kedua.
Kata-kata lain dari undang-undang:
Total entropi selalu meningkat dalam proses spontan.
Peningkatan entropi S selama proses harus melebihi atau sama dengan rasio jumlah kalor Q yang dipindahkan ke sistem dengan suhu T di mana kalor dipindahkan. Rumus hukum kedua termodinamika:
Sistem termodinamika
Dalam pengertian umum, rumusan hukum kedua termodinamika dalam istilah sederhana menyatakan bahwa perbedaan suhu antara sistem yang bersentuhan satu sama lain cenderung untuk menyamakan dan bahwa pekerjaan dapat diperoleh dari perbedaan non-kesetimbangan ini. Tetapi dalam kasus ini, ada kehilangan energi panas, dan entropi meningkat. Perbedaan tekanan, densitas, dan suhu dalam sistem yang terisolasi cenderung menyamakan jika diberi kesempatan; kerapatan dan tekanan, tetapi bukan suhu, bergantung pada gravitasi. Mesin kalor adalah alat mekanis yang memberikan kerja yang berguna karena perbedaan suhu antara dua benda.
Sistem termodinamika adalah sistem yang berinteraksi dan bertukar energi dengan area di sekitarnya. Pertukaran dan transfer harus terjadi setidaknya dalam dua cara. Salah satu caranya adalah perpindahan panas. Jika sebuahsistem termodinamika "dalam kesetimbangan", ia tidak dapat mengubah keadaan atau statusnya tanpa berinteraksi dengan lingkungan. Sederhananya, jika Anda seimbang, Anda adalah "sistem bahagia", tidak ada yang bisa Anda lakukan. Jika Anda ingin melakukan sesuatu, Anda harus berinteraksi dengan dunia luar.
Hukum kedua termodinamika: ireversibilitas proses
Tidak mungkin memiliki proses siklik (berulang) yang sepenuhnya mengubah panas menjadi kerja. Juga tidak mungkin ada proses yang memindahkan panas dari benda dingin ke benda hangat tanpa menggunakan usaha. Beberapa energi dalam suatu reaksi selalu hilang menjadi panas. Juga, sistem tidak dapat mengubah semua energinya menjadi energi kerja. Bagian kedua dari hukum lebih jelas.
Badan yang dingin tidak dapat memanaskan tubuh yang hangat. Panas secara alami cenderung mengalir dari daerah yang lebih hangat ke daerah yang lebih dingin. Jika panas berpindah dari dingin ke hangat itu bertentangan dengan apa yang "alami" sehingga sistem harus melakukan beberapa pekerjaan untuk mewujudkannya. Ireversibilitas proses di alam adalah hukum kedua termodinamika. Ini mungkin yang paling terkenal (setidaknya di antara para ilmuwan) dan hukum penting dari semua ilmu pengetahuan. Salah satu rumusannya:
Entropi Semesta cenderung maksimum.
Dengan kata lain, entropi tetap sama atau bertambah besar, entropi Semesta tidak akan pernah bisa berkurang. Masalahnya selaluBaik. Jika Anda mengambil sebotol parfum dan menyemprotkannya ke sebuah ruangan, maka atom-atom wangi akan segera memenuhi seluruh ruangan, dan proses ini tidak dapat diubah.
Hubungan dalam termodinamika
Hukum termodinamika menjelaskan hubungan antara energi panas atau panas dan bentuk energi lainnya, dan bagaimana energi mempengaruhi materi. Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan; jumlah total energi di alam semesta tetap tidak berubah. Hukum kedua termodinamika adalah tentang kualitas energi. Ini menyatakan bahwa ketika energi ditransfer atau diubah, semakin banyak energi yang dapat digunakan hilang. Hukum kedua juga menyatakan bahwa ada kecenderungan alami untuk setiap sistem yang terisolasi menjadi lebih tidak teratur.
Bahkan ketika pesanan meningkat di tempat tertentu, ketika Anda memperhitungkan keseluruhan sistem, termasuk lingkungan, selalu ada peningkatan entropi. Dalam contoh lain, kristal dapat terbentuk dari larutan garam ketika air diuapkan. Kristal lebih teratur daripada molekul garam dalam larutan; namun, air yang diuapkan jauh lebih tidak teratur daripada air cair. Proses yang diambil secara keseluruhan menghasilkan peningkatan ketidakteraturan.
Kerja dan energi
Hukum kedua menjelaskan bahwa tidak mungkin mengubah energi panas menjadi energi mekanik dengan efisiensi 100 persen. Sebuah contoh dapat diberikan dengandengan mobil. Setelah proses memanaskan gas untuk meningkatkan tekanannya untuk menggerakkan piston, selalu ada sisa panas dalam gas yang tidak dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan tambahan. Panas buangan ini harus dibuang dengan cara memindahkannya ke radiator. Dalam kasus mesin mobil, ini dilakukan dengan mengekstraksi campuran bahan bakar dan udara bekas ke atmosfer.
Selain itu, perangkat apa pun dengan bagian yang bergerak menciptakan gesekan yang mengubah energi mekanik menjadi panas, yang biasanya tidak dapat digunakan dan harus dikeluarkan dari sistem dengan memindahkannya ke radiator. Ketika benda panas dan benda dingin saling bersentuhan, energi panas akan mengalir dari benda panas ke benda dingin hingga mencapai kesetimbangan termal. Namun, panas tidak akan pernah kembali ke arah lain; perbedaan suhu antara dua benda tidak akan pernah meningkat secara spontan. Memindahkan panas dari benda dingin ke benda panas membutuhkan kerja yang dilakukan oleh sumber energi eksternal seperti pompa kalor.
Nasib Alam Semesta
Hukum kedua juga memprediksi akhir alam semesta. Ini adalah tingkat ketidakteraturan tertinggi, jika ada kesetimbangan termal konstan di mana-mana, tidak ada pekerjaan yang dapat dilakukan dan semua energi akan berakhir sebagai gerakan acak atom dan molekul. Menurut data modern, Metagalaxy adalah sistem non-stasioner yang berkembang, dan tidak ada pembicaraan tentang kematian panas Alam Semesta. kematian panasadalah keadaan kesetimbangan termal di mana semua proses berhenti.
Posisi ini salah, karena hukum kedua termodinamika hanya berlaku untuk sistem tertutup. Dan alam semesta, seperti yang Anda tahu, tidak terbatas. Namun, istilah "kematian panas Alam Semesta" kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada skenario pengembangan Alam Semesta di masa depan, yang menurutnya akan terus berkembang hingga tak terbatas ke dalam kegelapan ruang sampai berubah menjadi debu dingin yang tersebar..
