Entropi dan Hukum Kedua Termodinamik

Hukum pertama termodinamik memberitahu kita bahawa tenaga dipelihara, tetapi pemeliharaan tenaga sahaja tidak menentukan arah sesuatu proses. Cawan kopi panas menyejuk di dalam bilik, gas yang dilepaskan memenuhi ruang yang tersedia dan geseran menukarkan gerakan teratur kepada gerakan mikroskopik rawak. Hukum kedua termodinamik menerangkan mengapa proses seperti ini berlaku secara spontan dalam satu arah tetapi tidak berbalik sendiri.

Entropi ialah sifat keadaan

Entropi ialah kuantiti termodinamik yang bergantung pada keadaan sistem, bukan pada sejarah terperinci yang membawa sistem ke keadaan itu. Secara mikroskopik, entropi berkait dengan bilangan susunan keadaan mikro yang serasi dengan keadaan makroskopik yang sama. Lebih banyak cara tenaga dan zarah boleh diagihkan tanpa mengubah sifat makroskopik utama, lebih besar entropinya.

Dalam bentuk termodinamik, perubahan entropi bagi proses boleh balik ialah dS = δQ_rev/T, dengan δQ_rev ialah haba yang dipindahkan secara boleh balik dan T ialah suhu mutlak dalam kelvin. Dalam mekanik statistik, S = k_B ln W, dengan W ialah bilangan keadaan mikro yang serasi dengan keadaan makroskopik dan k_B ialah pemalar Boltzmann.

Perubahan jumlah entropi menentukan arah spontan

Bagi suatu proses spontan, jumlah perubahan entropi sistem bersama persekitarannya tidak berkurang. Untuk proses ideal yang boleh balik sepenuhnya, jumlah perubahan itu boleh menjadi sifar. Untuk proses sebenar yang tidak boleh balik seperti pengaliran haba melalui beza suhu yang terhingga, jumlah entropi meningkat.

Haba mengalir spontan dari panas ke sejuk

Apabila dua objek pada suhu berbeza bersentuhan, tenaga dipindahkan sebagai haba dari objek yang lebih panas ke objek yang lebih sejuk sehingga keseimbangan haba dicapai. Entropi objek panas berkurang, tetapi pertambahan entropi objek sejuk adalah lebih besar, lalu jumlah entropi meningkat. Arah sebaliknya tidak berlaku secara spontan kerana ia akan mengurangkan jumlah entropi.

Contoh pengiraan: 1000 J mengalir daripada 400 K ke 300 K

Andaikan 1000 J haba mengalir daripada objek pada 400 K kepada objek pada 300 K, dan suhu kedua-dua objek dianggap hampir tidak berubah kerana ia sangat besar. Perubahan entropi objek panas ialah ΔS = −1000/400 = −2.50 J/K. Perubahan entropi objek sejuk ialah ΔS = +1000/300 = +3.33 J/K. Jumlah ΔS = +0.83 J/K, iaitu positif, selaras dengan arah spontan. Jika haba cuba mengalir ke arah bertentangan, jumlah ΔS ialah −0.83 J/K, yang tidak berlaku secara spontan.

Entropi setempat boleh berkurang

Hukum kedua tidak mengatakan bahawa entropi setiap bahagian alam sentiasa meningkat. Peti sejuk boleh mengurangkan entropi bahan di dalamnya dan organisma hidup boleh membina struktur yang sangat tersusun. Namun, kerja dan pemindahan tenaga yang diperlukan menghasilkan pertambahan entropi di persekitaran yang lebih besar daripada pengurangan setempat itu.

Tiada mesin haba boleh menukar semua haba menjadi kerja

Mesin haba beroperasi dengan menerima tenaga daripada takungan bersuhu tinggi, menukarkan sebahagiannya kepada kerja dan membuang sebahagian tenaga ke takungan bersuhu lebih rendah. Keperluan membuang haba bukan sekadar kelemahan kejuruteraan. Ia berkait terus dengan hukum kedua dan perubahan entropi. Oleh sebab itu, kecekapan seratus peratus tidak boleh dicapai oleh mesin haba yang beroperasi secara kitaran antara dua suhu terhingga.

Bagi enjin Carnot yang ideal antara takungan panas dan takungan sejuk (dalam kelvin), kecekapan maksimum ialah η = 1 − T_sejuk/T_panas. Contohnya, antara 600 K dan 300 K, η = 1 − 300/600 = 0.50, iaitu paling banyak separuh haba boleh ditukar kepada kerja. Enjin sebenar menghasilkan kecekapan yang lebih rendah.

Sejarah ringkas

Sadi Carnot menganalisis had kecekapan enjin haba pada 1824. Rudolf Clausius memperkenalkan konsep entropi pada 1865. Ludwig Boltzmann menghubungkan entropi dengan bilangan keadaan mikro pada 1870-an, dan persamaan S = k ln W dikaitkan dengan karyanya serta dirumuskan dalam bentuk yang digunakan hari ini oleh Max Planck.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?