HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA: RUMUS, PERSAMAAN, CONTOH - FISIK - 2025

The Hukum kedua termodinamika memiliki beberapa bentuk ekspresi. Salah satunya menyatakan bahwa tidak ada mesin panas yang mampu sepenuhnya mengubah semua energi yang diserapnya menjadi pekerjaan yang dapat digunakan (formulasi Kelvin-Planck). Cara lain untuk menyatakannya adalah dengan mengatakan bahwa proses nyata terjadi sedemikian rupa sehingga kualitas energinya lebih rendah karena entropi cenderung meningkat.

Hukum ini, juga dikenal sebagai prinsip kedua termodinamika, telah diekspresikan dengan cara yang berbeda dari waktu ke waktu, dari awal abad kesembilan belas hingga saat ini, meskipun asal mula berasal dari penciptaan mesin uap pertama di Inggris. , pada awal abad ke-18.

Gambar 1. Saat melempar blok bangunan ke tanah, akan sangat mengejutkan jika mereka jatuh berurutan. Sumber: Pixabay.

Tetapi meskipun diungkapkan dalam banyak cara, gagasan bahwa materi cenderung tidak teratur dan tidak ada proses yang 100% efisien, karena kerugian akan selalu ada.

Semua sistem termodinamika menganut prinsip ini, mulai dari alam semesta itu sendiri hingga secangkir kopi pagi yang menunggu dengan tenang di atas meja, bertukar panas dengan lingkungan.

Kopi mendingin seiring berjalannya waktu, hingga berada pada kesetimbangan termal dengan lingkungan, sehingga akan sangat mengherankan jika suatu saat terjadi hal sebaliknya dan lingkungan mendingin sementara kopi dipanaskan sendiri. Ini tidak mungkin terjadi, beberapa orang akan mengatakan tidak mungkin, tetapi cukup membayangkannya untuk mendapatkan gambaran tentang pengertian di mana sesuatu terjadi secara spontan.

Dalam contoh lain, jika kita menggeser sebuah buku melintasi permukaan meja, pada akhirnya buku itu akan berhenti, karena energi kinetiknya akan hilang sebagai panas akibat gesekan.

Hukum pertama dan kedua termodinamika didirikan sekitar tahun 1850, berkat ilmuwan seperti Lord Kelvin - pencipta istilah "termodinamika" -, William Rankine - penulis teks formal pertama tentang termodinamika - dan Rudolph Clausius.

Rumus dan persamaan

Entropi - disebutkan di awal - membantu kita menetapkan pengertian di mana sesuatu terjadi. Mari kembali ke contoh benda dalam kontak termal.

Ketika dua benda pada suhu yang berbeda bersentuhan dan akhirnya setelah beberapa saat mencapai kesetimbangan termal, mereka didorong oleh fakta bahwa entropi mencapai maksimumnya, ketika suhu keduanya sama.

Mendenotasikan entropi sebagai S, perubahan entropi ΔS dari suatu sistem diberikan oleh:

Perubahan entropi ΔS menunjukkan tingkat gangguan dalam suatu sistem, tetapi ada batasan dalam penggunaan persamaan ini: ini hanya berlaku untuk proses yang dapat dibalik, yaitu proses di mana sistem dapat kembali ke keadaan semula tanpa meninggalkan jejak apa yang terjadi-.

Dalam proses yang tidak dapat diubah, hukum kedua termodinamika muncul sebagai berikut:

Proses yang dapat dibalik dan tidak dapat diubah

Secangkir kopi selalu menjadi dingin dan merupakan contoh yang baik dari proses yang tidak dapat diubah, karena selalu terjadi hanya dalam satu arah. Jika Anda menambahkan krim ke dalam kopi dan mengaduk, Anda akan mendapatkan kombinasi yang sangat menyenangkan, tetapi tidak peduli seberapa banyak Anda mengaduk lagi, Anda tidak akan memiliki kopi dan krim secara terpisah lagi, karena pengadukan tidak dapat diubah.

Gambar 2. Kerusakan cangkir adalah proses yang tidak dapat diubah. Sumber: Pixabay.

Meskipun sebagian besar proses harian tidak dapat diubah, beberapa di antaranya hampir dapat dibatalkan. Reversibilitas adalah idealisasi. Agar ini terjadi, sistem harus berubah dengan sangat lambat, sedemikian rupa sehingga pada setiap titik selalu berada dalam kesetimbangan. Dengan cara ini dimungkinkan untuk mengembalikannya ke keadaan sebelumnya tanpa meninggalkan jejak di sekitarnya.

Proses yang mendekati ideal ini lebih efisien, karena menghasilkan lebih banyak pekerjaan dengan konsumsi energi yang lebih sedikit.

Gaya gesek bertanggung jawab atas sebagian besar ireversibilitas, karena panas yang dihasilkan olehnya bukanlah jenis energi yang dicari. Dalam buku yang meluncur di atas meja, panas gesekan adalah energi yang tidak pulih.

Bahkan jika buku itu kembali ke posisi semula, meja akan menjadi panas seperti jejak datang dan pergi di atasnya.

Sekarang lihatlah bola lampu pijar: sebagian besar pekerjaan yang dilakukan oleh arus yang melalui filamen terbuang percuma karena efek Joule. Hanya sebagian kecil yang digunakan untuk memancarkan cahaya. Dalam kedua proses (buku dan bola lampu), entropi sistem meningkat.

Aplikasi

Motor yang ideal adalah motor yang dibuat menggunakan proses yang dapat dibalik dan tidak memiliki gesekan yang menyebabkan pemborosan energi, mengubah hampir semua energi termal menjadi pekerjaan yang dapat digunakan.

Kami menekankan kata tersebut hampir, karena bahkan mesin yang ideal, yaitu milik Carnot, tidak 100% efisien. Hukum kedua termodinamika memastikan bahwa ini tidak terjadi.

Mesin carnot

Mesin Carnot adalah mesin paling efisien yang dapat dibuat. Ini beroperasi antara dua tangki suhu dalam dua proses isotermal - pada suhu konstan - dan dua proses adiabatik - tanpa transfer energi panas.

Grafik yang disebut PV - diagram volume tekanan - menjelaskan situasi secara sekilas:

Gambar 3. Di sebelah kiri diagram motor Carnot dan di sebelah kanan diagram PV. Sumber: Wikimedia Commons.

Di sebelah kiri, pada gambar 3 adalah diagram mesin Carnot C, yang mengambil panas Q ₁ dari tangki pada suhu T ₁ , mengubah panas itu menjadi kerja W dan memindahkan limbah Q ₂ ke tangki yang lebih dingin, yang mana berada pada suhu T ₂ .

Mulai dari A, sistem mengembang hingga mencapai B, menyerap panas pada suhu tetap T ₁ . Di B, sistem memulai ekspansi adiabatik di mana tidak ada panas yang diperoleh atau hilang, untuk mencapai C.

Dalam C proses isotermal lain dimulai: yaitu mentransfer panas ke deposit termal yang lebih dingin lainnya di T ₂ . Ketika ini terjadi, sistem dikompresi dan mencapai titik D. Proses adiabatik kedua dimulai untuk kembali ke titik awal A. Dengan cara ini siklus selesai.

Efisiensi mesin Carnot bergantung pada suhu dalam Kelvin dari dua reservoir termal:

Teorema Carnot menyatakan bahwa ini adalah mesin pemanas paling efisien di luar sana, tetapi jangan terlalu cepat membelinya. Ingat apa yang kami katakan tentang proses reversibilitas? Mereka harus terjadi dengan sangat, sangat lambat, sehingga daya yang dihasilkan mesin ini praktis nihil.

Metabolisme manusia

Manusia membutuhkan energi untuk menjaga agar semua sistemnya bekerja, oleh karena itu mereka berperilaku seperti mesin termal yang menerima energi dan mengubahnya menjadi energi mekanik untuk, misalnya, bergerak.

Efisiensi tubuh manusia saat melakukan pekerjaan dapat didefinisikan sebagai hasil bagi antara daya mekanis yang dapat diberikannya dan total masukan energi yang berasal dari makanan.

Karena daya rata-rata P _m adalah pekerjaan W yang dilakukan dalam selang waktu Δt, maka dapat dinyatakan sebagai:

Jika ΔU / Δt adalah laju penambahan energi, efisiensi tubuh menjadi:

Melalui berbagai tes dengan relawan, efisiensi hingga 17% telah dicapai, menghasilkan sekitar 100 watt daya selama beberapa jam.

Tentu saja, itu akan sangat tergantung pada tugas yang diselesaikan. Mengayuh sepeda memiliki efisiensi yang sedikit lebih tinggi, sekitar 19%, sementara tugas berulang yang mencakup sekop, beliung, dan cangkul serendah sekitar 3%.

Contoh

Hukum kedua termodinamika tersirat dalam semua proses yang terjadi di alam semesta. Entropi selalu meningkat, meskipun dalam beberapa sistem terlihat menurun. Agar ini terjadi, itu harus ditingkatkan di tempat lain, sehingga dalam keseimbangan total itu positif.

- Dalam pembelajaran ada entropi. Ada orang yang mempelajari berbagai hal dengan baik dan cepat, serta mampu mengingatnya dengan mudah di kemudian hari. Dikatakan bahwa mereka adalah orang-orang dengan pembelajaran entropi rendah, tetapi tentunya jumlah mereka lebih sedikit daripada mereka yang memiliki entropi tinggi: mereka yang merasa lebih sulit untuk mengingat hal-hal yang mereka pelajari.

- Perusahaan dengan pekerja yang tidak terorganisir memiliki lebih banyak entropi daripada perusahaan di mana pekerja menjalankan tugas dengan tertib. Jelas bahwa yang terakhir akan lebih efisien daripada yang pertama.

- Gaya gesek menghasilkan efisiensi yang lebih rendah dalam pengoperasian mesin, karena meningkatkan jumlah energi yang hilang yang tidak dapat digunakan secara efisien.

- Melempar dadu memiliki entropi yang lebih tinggi daripada melempar koin. Lagipula, melempar koin hanya memiliki 2 kemungkinan hasil, sementara melempar dadu memiliki 6. Semakin banyak kejadian yang mungkin terjadi, semakin banyak entropi yang ada.

Latihan terselesaikan

Latihan 1

Sebuah silinder piston diisi dengan campuran cairan dan uap air pada 300 K dan panas 750 kJ dipindahkan ke air dengan proses tekanan konstan. Akibatnya, cairan di dalam silinder menguap. Hitung perubahan entropi dalam prosesnya.

Gambar 4. Gambar untuk contoh diselesaikan 1. Sumber: F. Zapata.

Larutan

Proses yang dijelaskan dalam pernyataan tersebut dilakukan pada tekanan konstan dalam sistem tertutup, yang tidak mengalami pertukaran massa.

Karena ini adalah penguapan, di mana suhunya tidak berubah (selama perubahan fasa suhunya konstan), definisi perubahan entropi yang diberikan di atas dapat diterapkan dan suhu dapat keluar dari integral:

ΔS = 750.000 J / 300 K = 2.500 J / K.

Karena panas memasuki sistem, perubahan entropi menjadi positif.

Latihan 2

Gas mengalami peningkatan tekanan dari 2.00 menjadi 6.00 di atmosfer (atm), mempertahankan volume konstan 1,00 m ³ , dan kemudian mengembang pada tekanan konstan hingga mencapai volume 3,00 m ³ . Akhirnya ia kembali ke keadaan awalnya. Hitung berapa banyak pekerjaan yang dilakukan dalam 1 siklus.

Gambar 5. Proses termodinamika dalam gas misalnya 2. Sumber: Serway -Vulle. Dasar-dasar Fisika.

Larutan

Ini adalah proses siklus di mana variasi energi dalam adalah nol, menurut hukum pertama termodinamika, oleh karena itu Q = W.Dalam diagram PV (tekanan - volume), pekerjaan yang dilakukan selama proses siklus adalah setara ke area yang dikelilingi oleh kurva. Untuk memberikan hasil pada Sistem Internasional maka perlu dilakukan perubahan satuan pada tekanan dengan menggunakan faktor konversi sebagai berikut:

1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.

Area yang dilingkupi oleh grafik sesuai dengan luas segitiga yang alasnya (3 - 1 m ³ ) = 2 m ³ dan yang tingginya (6 - 2 atm) = 4 atm = 405.300 Pa

W _ABCA = ½ (2 m ³ x 405300 Pa) = 405300 J = 405,3 kJ.

Latihan 3

Salah satu mesin paling efisien yang pernah dibuat dikatakan sebagai turbin uap berbahan bakar batu bara di Sungai Ohio, yang digunakan untuk menggerakkan generator listrik yang beroperasi antara tahun 1870 dan 430 ° C.

Hitung: a) maksimum efisiensi teoritis, b) tenaga mesin yang mesin memberikan jika menyerap 1,40 x 10 ⁵ J energi setiap detik dari tangki panas. Efisiensi sebenarnya diketahui 42,0%.

Larutan

a) Efisiensi maksimum dihitung dengan persamaan yang diberikan di atas:

Untuk mengubah derajat celcius menjadi kelvin, tambahkan saja 273,15 ke suhu celcius:

Mengalikan dengan 100% menghasilkan persentase efisiensi maksimum, yaitu 67,2%

c) Jika efisiensi riil 42%, maka efisiensi maksimum 0,42.

Daya mekanik yang dihasilkan adalah: P = 0,42 x 1,40 x10 ⁵ J / s = 58800 W.

Referensi

1. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. Edisi 7 ^ma . McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 4. Cairan dan Termodinamika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi.
5. López, C. Hukum Pertama Termodinamika. Diperoleh dari: culturacientifica.com.
6. Serway, R. 2011. Dasar-dasar Fisika. 9 ^na Pembelajaran Cengage.
7. Universitas Sevilla. Mesin Thermal. Diperoleh dari: laplace.us.es