PROSES REVERSIBLE, IRREVERSIBLE ENTROPI DAN HUKUM II TERMODINAMIKA

PROSES REVERSIBEL DAN IRREVERSIBEL
Apakah yang menyebabkan suatu proses bersifat reversibel (dapat kembali) atau irrreversibel (tidak dapat dilakukan sebaliknya/tidak dapat kembali). Kita telah melihat bahwa konversi energi mekanik menjadi panas karena gesekan adalah irreversibel. Proses sebaliknya, yaitu mengubah panas menjadi energi mekanik tanpa efek lain melanggar rumusan hukum kedua mesin panas.
Dengan cara yang sama, konduksi panas dari benda dingin ke benda panas tanpa efek lain melanggar rumusan hukum kedua untuk refrigerator.
Jenis irreversibel ketiga terjadi bila sebuah sistem melewati keadaan tak seimbang, misalnya bila ada turbulensi dalam gas atau ledakan.
Setiap proses penambahan dan pembuangan kalor dari peemuaian atau penekan gas, dianggap dilakukan dengan sebaliknya (reversibel). Maksudnya setiap proses dilakukan dengan lambat sehingga proses dapat dianggap sebagai serangkaian keadaan seimbang dan seluruh proses bisa dilakukan sebaliknya tanpa penambahan besar kerja yang dilakukan atau kalor dipertukarkan.
Dari pertimbangan-pertimbangan itu dan rumusan tentang hukum II termodinamika, kita dapat mencantumkan beberapa syarat yang diperlukan agar proses bersifat reversibel.
1. tida ada energi mekanik yang dapat hilang karena gesekan, gaya viskositas, atau gaya disipatif lain yang menghasilkan kalor/panas.
2. Tidak ada konduksi panas karena beda temperatur tertentu.
3. Proses harus kuasi statik agar sistem selalu dalam keadaan seimbang.
Setiap proses yang melanggar salah satu kondisi di atas merupakan proses irreversibel. Kebanyakan proses yang terjadi di alam bersifat irreversibel. Oleh karena itu, dalam praktiknya proses reversibel tampaknya tak munkin terjadi.

ENTROPI DAN HUKUM II TERMODINAMIKA
Entropi merupakan ukuran banyaknya energi (kalor) yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Jika hal itu dilanggar,berarti melanggar hukum II termodinamika.
Entropi juga dapat dinyatakan sebagai ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Proses alami bersifat irreversibel (tidak dapat balik) - jika reversibel, maka melanggar hukum I Termodinamika. Contohnya : piring yang jatuh dari meja menjadi pecah berkeping-keping, dan tidak dapat kembali lagi menjadi utuh.
Siklus Carnot memiliki efisiensi maksimum sebuah mesin kalor. Hal itu dikarenakan siklusnya bersifat reversibel.
Pada siklus Carnot berlaku :
Q1/Q2  =  T1/T2
atau
Q1/T1  =   Q2/T2
atau
Q/ T (reversibel)  = konstan
Besarnya Q/T disebut perubahan entropi 
ΔS = Q/Treversibel

Entropi Pada Proses Reversibel

Pada mesin Carnot

1. reservoir panas, entropinya berkurang Q1/T1 ;

ΔS1 = - Q1/T1   

2. reservoir dingin, entropi  entropinya Q2/T2

ΔS2 = - Q2/T2    

Perubahan entropi total atau perubahan entropi jagad raya untuk proses reversibel adalah.

 ΔS  =   ΔS1  +  ΔS2   = -(Q1/T1)    + ( Q2/T2) = 0 karena     Q1/T1  =   Q2/T2   
Jadi perubahan entropi total untuk proses reversibel = 0 atau entropinya adalah konstan.

Entropi Proses Irreversibel
Peristiwa di jagad raya ini, umumnya termasuk proses irreversibel. Hal ini dikarenakan ada kalor yang hilang (tidak dapat diubah menjadi usaha) sebagai akibat adanya gesekan sejenisnya.Hal itu menyebabkan perubahan entropi    I ΔS2   I     >    I ΔS1 I. Oleh karena itu, perubahan entropi jagad raya setiap proses irreversibel ΔS2   adalah positif. Dengan kata lain, entropi jagad raya/alam semesta selalu bertambah, seperti halnya waktu.

Alam semesta ini juga seperti manusia yang menjadi semakin tua dan akan menemui kematiannya yang disebut kiamat. Maka berdasar Hukum Termodinamika II, untuk mempertahankan agar alam semesta tidak segera mati, maka harus diberi energi ataupun usaha yang dimasukkan kedalam sistem, sehingga akan mengecilkan entropi yang terus meningkat.

Ketua Dewan Pakar Ikatan Cendikiawan Muslim Indonesia (ICMI), dalam bukunya “Alquran Ilmu Pengatahuan dan Teknologi “, mengemukakan bahwa ada beberapa sekenario tentang terjadinya kiamat menurut sains.

 - Skenario I menggambarkan habisnya bahan bakar temonuklir yaitu hidrogen dalam matahari. Kalau reaksi nuklir makin berkurang, matahari akan menjadi dingin dan bumi akan membeku. Tak ada tanaman yang akan tumbuh dan kehidupan di bumi akan berakhir. Waktu yang dibutuhkan matahari untuk menghabiskan bahan bakarnya berkisar sekitar lima milyar tahun

- Skenario II menggambarkan habisnya hidrogen dibumi. jika hidrigentersebut habis, maka semua makhluk hidup akan mati membeku seperti pada skenario pertama. Barangkali selama milyaran tahun juga.

- skenario III menggambarkan mengembangnya matahari. Sebagaimana di diketahui, matahari merupakan salah satu bintang dalam galaksi kita yang letaknya paling dekat dengan bumi. Evolusi matahari akan mengikuti bintang-bntang lainnya yaitu bila ia telah “Padam” ia akan menyusut menjadi kecil sampai pada suatu saat ketika energi gravitasinya berubah menjadi panas dan mengubahnya menjadi bintang raksasa merah. Pada kondisi demikian sistem tata surya sebagian (termasuk bumi kita) akan tertelan oleh matahari. semua makhluk hidup akan mati terbakar

Analogikanya:

- Agar manusia tidaksegera mati, harus diberi makan, minum, dan oksigen.

-  agar api dari pembakaran tidak mati ya, harus diberi bahan bakar.

-  Jika kita ingin sukses, kita harus  berusaha dengan berjuang.

- Agar kita menjadi pintar, maka kita harus belajar dengan mencari ilmu dari sekitar kita.

Itulah hukum entropi alam semesta yang berlaku pada makhluk hidup maupun yang mati. Hukum yang bersifat universal.  Universe tidak akan mampu bertahan selama miliaran tahun tanpa adanya ‘intervensi’ dari luar sistem universe itu sendiri. Sebuah ‘usaha’ yang berasal dari luar jagad raya. Energi yang tidak berasal dari dalam ruang, waktu, materi dan energi universe. Siapapun yang mengatakan bahwa alam semesta berjalan dengan sendirinya, ia telah menabrak hukum ilmiah yang paling dasar. Berarti dia telah meninggalkan kaidah-kaidah saintifik.

Andai alam semesta tidak mendapatkan tambahan ‘usaha’ atau energi dari luar sistem, alam semesta telah hancur, runtuh, dan lenyap dalam ketiadaan sejak ledakan pertama; big bang. Dalam alam yang entropinya terus meningkat seperti alam semesta kita, sebuah ledakan tunggal yang maha dasyat tidak akan pernah menciptakan sebuah keteraturan seperti jagad raya sekarang ini. Dimana patikel-partikel sub atomik berangsur-angsur menjadi unsur yang atom, dan atom-atom menjadi molekul dengan keseimbangan gaya yang luar biasa. Selanjutnya perlahan-lahan menjadi unsur-unsur penyusun benda-benda langit dalam sekala luar biasa raksasa. Kemudian membentuk gaya nuklir kuat, nuklir lemah, elektromagnetik, serta gravitasi secara berurutan. Sebuah ledakan akan selalu menghasilkan kerusakan, kekacauan. Bukannya menjadi kacau alam semesta ini justru malah menjadi teratur didalam tatanannya.

Kenapa semua itu bisa terbentuk dengan harmonisnya? Karena ada faktor dari luar sistem yang memasukkan ‘usaha’ kedalam sistem alam semesta ini sebagai bentuk campur tangan yang mencegah hukum entropi yang menghancurkannya. Siapakah yang ikut campur tangan dalam semua itu?, siapakah DIA? Itulah yang oleh orang atheis disebut sebagai faktor X. Dan kita sebagai orang islam menyebut-Nya sebagai Allah Azza Wajalla. Zat yang memiliki kecerdasan, kekukasaan dan kebijaksanaan tak terhingga.
Semua proses jagad raya (irreversibel) - menuju ke keadaan kesetimbangan sama dengan ke keadaan semakin tidak teratur (semakin kacau = chaos). jadi entropi jagad raya selalu bertambah - jagad raya sedang bergerak ke arah chaos.  Oleh karena itu semestinya kita harus selalu berusaha mendekatkan diri pada Allah, Sang Pencipta Jagad Raya, dan selalu tunduk patuh pada PerintahNya.   

Perumusan Entropi pada hukum II Termodinamika.
Total entropi jagad raya tidak berubah ketika terjadi proses reversibel ( ΔSr = 0) dan bertambah ketika terjadi proses irreversibel  ( ΔSir  = 0)          

                          

Sumber :
FISIKA untuk SMA/MA kelas XI, Goris Seran Daton, dkk, Penerbit Grasindo, 2007
https://annaluthfaidah.wordpress.com/2013/05/15/alam-semesta-pun-berevolusi-di-dalam-sunnatullah/
http://jalanbaru92.blogspot.com/2013/01/hari-kiamat-dalam-pandangan-sains.html

Read More

HUKUM II TERMODINAMIKA

Pada siklus Carnot dan mesin Carnot, proses termodinamika yang terjadi selama proses tersebut mampu mengubah seluruh energi kalor menjadi usaha dan tidak ada energi yang hilang. Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal. Bagaimanapun ada banyak proses perubahan energi yang bisa khayalkan tetapi tidak tampak terjadi di alam. Contohnya :
- Kita memasukkan sebuah bola besi panas ke dalam bejana yang berisi air dingin. Kita tentunya telah memahami bahwa kalor akan berpindah dari bola besi ke air sehingga suhu keduanya sama atau dikatakan keduanya telah berada dalam kesetimbangan termal. Namun, jika Kita membalik proses ini dengan cara memasukkan bola besi dingin ke dalam air panas, mungkinkah suhu bola besi tersebut naik dan suhu air turun dan keduanya mencapai kesetimbangan termal yang sama, seperti pada keadaan sebelumnya 
- air mengalir dari daerah pegunungan ke lautan, tidak pernah terjadi sebaliknya
- Buah jatuh dari pohon ke tanah, dan buah yang sudah di tanah tidak pernah terbang kembali lagi ke pohon.
- kalor mengalir dari tempat yang panas ke tempat yang dingin, tidak pernah sebaliknya secara spontan.iwa-peristiwa tersebut
Pada peristiwa-peristiwa di atas energi yang di katakan kekal, tetapi tidak akan pernah terjadi.
Hukum I Termodinamika (kekekalan energi) tidak akan dilanggar jika proses-proses di atas terjadi sebaliknya. Untuk menjelaskan tidak adanya kemungkinan proses bisa kembali, pada ilmuwan merumuskan konsep baru yang disebut hukum II Termodinamika. Hukum tersebut menyatakan bahwa proses yang terjadi di alam maupun yang tidak dapat terjadi di alam dan dalam berbagai cara keseluruhan yang sama.

Pernyataan Clausius.
Pernyataan yang disampaikan oleh Rudolf Julius Emanuel Clausius menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, mengambil kalor dari reservoir bersuhu rendah dan memberikannya pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha luar.

Diagram skematik transfer energi

Pernyataan Kelvin-Plank
Kelvin-Plank menyatakan bahwa :
" tidak mungkin bagi sebuah panas yang bekerja secara siklis untuk tidak menghasilkan efek lain selain menyerap panas dari suatu tendon dan melakukan sejumlah usaha yang ekivalen"

 Tidak mungkin

Diagram kalor sempurna secara hipotetik

Dalam menyatakan Hukum II Termodinamika ini, Clausius memperkenalkan besaran baru yang disebut entropi (S). Entropi adalah besaran yang menyatakan banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Ketika suatu sistem menyerap sejumlah kalor Q dari reservoir yang memiliki temperatur mutlak, entropi sistem tersebut akan meningkat dan entropi reservoirnya akan menurun sehingga perubahan entropi sistem dapat dinyatakan dengan persamaan :

ΔS = Q/T      

Persamaan tersebut berlaku pada sistem yang mengalami siklus reversibel dan besarnya perubahan entropi (ΔS) hanya bergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal sistem.

Contoh Soal

Gambar di atas menunjukkan bahwa 2.400 J kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas bersuhu 600 K ke reservoir dingin bersuhu 300 K. Tentukanlah jumlah entropi dari sistem tersebut. Anggap tidak ada perubahan lain yang terjadi.
Jawaban :

Diketahui : Q = 2.400 J, T₁ = 600 K, dan T₂ = 300 K.
Perubahan entropi reservoir panas:

ΔS₁ = (- Q₁/T₁) = (-2.400 J/600 K) = –4 J/K

Perubahan entropi reservoir dingin:

ΔS₂ = (Q₂/T₂) = (2.400 J/300 K) = 8 J/K

Total perubahan entropi total adalah jumlah aljabar perubahan entropi setiap reservoir:
ΔS_sistem = ΔS₁ + ΔS₂ = –4 J/K + 8 J/K = +4 J/K

Sumber :
FISIKA untuk SMA/MA kelas XI, Goris Seran Daton, dkk, Penerbit Grasindo, 2007
http://perpustakaancyber.blogspot.com/2013/03/usaha-dan-proses-dalam-termodinamika-hukum-termodinamika-1-2-dan-3-rumus-contoh-soal-kunci-jawaban.html

Read More