Tugas Berkala "HUKUM II TERMODINAMIKA"

HUKUM II TERMODINAMIKA

Formulasi Kelvin-Planck atau hukum termodinamika kedua menyebutkan bahwa adalah tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu reservoir pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik. Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah; dengan kata lain, tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (dapat dibalikkan arahnya). Sebagai contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju, maka salju dibawah tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruang tersebut. Akan tetapi beruang tersebut tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut untuk menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki arah, yaitu dari panas ke dingin. Satu aplikasi penting dari hukum kedua adalah studi tentang mesin kalor.

Hukum II Termodinamika

Hukum II Termodinamika, yang dianggap sebagai salah satu hukum dasar ilmu fisika, menyatakan bahwa pada kondisi normal semua sistem yangdibiarkan tanpa gangguan cenderung menjadi tak teratur, terurai, dan rusak sejalan dengan waktu. Seluruh benda, hidup atau mati, akan aus, rusak, lapuk,terurai, dan hancur. Akhir seperti ini mutlak akan dihadapi semua makhluk dengan caranya masing-masing dan menurut hukum ini, proses yang tak terelakkan ini tidak dapat dibalikkan.Kita semua mengamati hal ini. Sebagai contoh, jika Anda meninggalkansebuah mobil di padang pasir, Anda tidak akan menemukannya dalam keadaanlebih baik ketika Anda menengoknya beberapa tahun kemudian. Sebaliknya,Anda akan melihat bannya kempes, kaca jendelanya pecah, sasisnya berkarat,dan mesinnya rusak. Proses yang sama tak terhindarkan berlaku pula padamakhluk hidup, bahkan lebih cepat.

Hukum II Termodinamika adalah cara mendefinisikan proses alam inidengan persamaan dan perhitungan fisika.Hukum fisika yang terkenal ini disebut juga “Hukum Entropi”. Entropiadalah selang ketidakteraturan yang terjadi dalam suatu sistem. Entropi sistemmeningkat ketika sistem itu bergerak dari keadaan teratur, terorganisir, danterencana menuju keadaan yang lebih tidak teratur, tersebar dan tidak terencana.Semakin tidak teratur suatu sistem, semakin tinggi pula entropinya. 
Hukum Entropi menyatakan bahwa seluruh alam semesta bergerak menujukeadaanyang semakin tidak teratur, tidak terencana, dan tidak terorganisir.Keabsahan Hukum II Termodinamika atau Hukum Entropi ini telahterbukti, baik secara eksperimen maupun teoretis. Para ilmuwan terpenting dimasa kita menyetujui fakta bahwa Hukum Entropi akan menjadi paradigmayang mendominir hingga periode sejarah mendatang. Albert Einstein, ilmuwanterbesar di masa kita ini mengakuinya sebagai “hukum utama dari semua sains”.Rir Arthur Eddington juga menyebutnya sebagai “hukum metafisika tertinggi diseluruh jagat”.Teori evolusi adalah klaim yang diajukan dengan sepenuhnyamengabaikan hukum fisika yang mendasar dan memiliki kebenaran universalini. Mekanisme yang diajukan evolusi benar-benar bertentangan dengan hukumini. Teori evolusi menyatakan bahwa atom-atom dan molekul-molekul yangtidak hidup, tidak teratur dan tersebar, sejalan dengan waktu menyatu secaraspontan dalam urutan dan perencanaan tertentu membentuk molekul-molekulyang luar biasa kompleks seperti protein, DNA dan RNA. Kemudian merekalambat laun menghasilkan jutaan spesies makhluk hidup yang berbeda, bahkandengan struktur yang lebih kompleks lagi. Menurut teori evolusi, proses yang diperkirakan ini – yang menghasilkan struktur yang lebih terencana, lebihteratur, lebih kompleks dan lebih terorganisir – terbentuk dengan sendirinya pada tiap tahapan dalam kondisi alamiah. Hukum Entropi menegaskan bahwaapa yang disebut proses alamiah ini jelas bertentangan dengan hukum-hukumfisika  .Ilmuwan evolusionis juga menyadari fakta ini. J. H. Rush menyatakan:Dalam perjalanan evolusinya yang kompleks, kehidupan menunjukkan perbedaan yang sangat besar dibandingkan kecenderungan yang dinyatakanHukum II Termodinamika. Sementara Hukum II menyatakan pergerakanirreversibel ke arah entropi yang lebih tinggi dan tak teratur, kehidupan terus berevolusi ke tingkat keteraturan yang lebih tinggi.

          Dalam sebuah artikel di majalah Science, ilmuwan evolusionis, Roger Lewin, menyatakan kebuntuan evolusi secara termodinamika:

Satu masalah yang dihadapi para ahli biologi adalah pertentangan nyataoleh evolusi terhadap Hukum II Termodinamika. Semua sistem seharusnyarusak sejalan dengan waktu, semakin tidak teratur, bukan sebaliknya.

 Ilmuwan evolusionis lainnya, George Stravropoulos, menyatakankemustahilan termodinamis dari pembentukan kehidupan secara spontan danketidaklayakan penjelasan adanya mekanisme-mekanisme makhluk hidup yangkompleks melalui hukum-hukum alam. Ini dinyatakannya dalam majalahevolusionis terkenal, American Scientist: Namun sesuai dengan Hukum Termodinamika II, dalam kondisi biasathdak ada molekul organik kompleks dapat terbentuk secara spontan, tetapisebaliknya akan hancur. Memang, semakin kompleks sebuah molekul, semakintidak stabil keadaannya dan semakin pasti kehancurannya, cepat atau lambat.Kendatipun melalui pembahasaan yang membingungkan atau sengaja dibuatmembingungkan, fotosintesis dan semua proses kehidupan, serta kehidupan itusendiri, tidak dapat dipahami berdasarkan ilmu termodinamika ataupun ilmu pasti lainnya

Dan selain itu pernyataan kami Rezky Bintang dan Michael tentang Hukum II Termodinamika, Katanya stok minyak bumi dalam perut bumi sekarang tinggal sedikit, karenanya kita diminta untuk menghemat energi. Aneh ya… Menurut hukum pertama termodinamika, dalam suatu sistem tertutup (alam semesta kita termasuk sistem tertutup), jumlah energi total selalu kekal. Energi dapat berubah bentuk dan berpindah dari satu benda ke benda yang lain, tetapi jumlah energi total selalu tetap. Kalau energi selalu kekal, mengapa kita harus menghemat energi ?

Benar bahwa hukum pertama termodinamika mengatakan kepada kita bahwa energi selalu kekal. Walaupun demikian, hukum pertama termodinamika tidak menjelaskan kepada kita bahwa ada bentuk energi yang berguna, sedangkan ada bentuk energi yang tidak berguna… Energi potensial kimia dalam minyak bumi merupakan salah satu bentuk energi yang berguna. Energi potensial kimia dalam minyak bumi (bensi, solar, minyak tanah, etc) bisa khta gunakan untuk menggerakkan kendaraan, memasak makanan atau bisa juga digunakan untuk membangkitkan listrik. Energi potensial gravitasi air di waduk bisa kita gunakan untuk membangkitkan listrik. Energi panas bumi juga bisa kita gunakan untuk membangkitkan listrik. Energi kinetik angin, energi panas matahari, energi nuklir dkk…  Mengenai sumber energi akan dibahas dalam episode berikutnya…

Ketika energi yang berguna tersebut kita manfaatkan, akan terjadi perubahan bentuk energi. Jika digunakan untuk menggerakkan kendaraan, energi potensial kimia dalam minyak bumi akan berubah bentuk menjadi energi kinetik kendaraan + kalor alias panas (panas timbul akibat adanya gesekan). Jika digunakan untuk membangkitkan listrik, energi potensial gravitasi pada air di waduk akan berubah bentuk menjadi energi kinetik rotasi turbin. Energi kinetik rotasi turbin akan berubah bentuk menjadi energi listrik. Energi listrik akan berubah bentuk menjadi energi kinetik rotasi  (kipas angin), energi cahaya (lampu), kalor alias panas (setrika listrik) dkk… Energi kinetik rotasi kipas akan berubah bentuk menjadi energi dalam udara + kalor alias panas (panas timbul akibat adanya gesekan pada kipas). Energi potensial gravitasi pada buah mangga akan berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi apabila buah mangga tersebut jatuh ke tanah. Ketika mencium tanah, energi kinetik translasi buah mangga akan berubah bentuk menjadi energi dalam buah mangga tersebut + energi dalam tanah. Dari beberapa contoh perubahan bentuk energi ini, tampak bahwa hukum pertama termodinamika baik adanya… Btw, sangat banyak proses di alam semesta yang kita harapkan dapat mengubah bentuk energi tetapi kenyataannya tidak pernah terjadi…  Apakah dirimu pernah melihat yang sebaliknya – buah mangga yang sedang diam di tanah tiba-tiba bergerak ke atas karena energi dalam berubah bentuk menjadi energi kinetik ? Seandainya energi dalam berubah menjadi energi kinetik sehingga buah mangga meluncur ke atas, hukum pertama termodinamika tidak pernah dilanggar. Energi akan selalu kekal dalam proses tersebut… tapi kenyataanya buah mangga tidak pernah meluncur ke atas dengan sendirinya…

Semua proses yang terjadi secara alami hanya berlangsung pada satu arah saja tapi tidak dapat berlangsung pada arah sebaliknya (biasa disebut sebagai proses ireversibel alias tidak dapat balik). Setelah terlepas dari tangkainya dan jatuh bebas hingga mencium tanah, buah mangga tidak pernah meluncur ke atas lagi. Buku yang kita dorong lalu berhenti tidak pernah bergerak kembali ke arah kita. Kalau kita menyentuhkan benda yang bersuhu tinggi (benda panas) dengan benda yang bersuhu rendah (benda dingin), kalor alias panas dengan sendirinya mengalir dari benda bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Kita tidak pernah melihat proses sebaliknya, di mana kalor dengan sendirinya berpindah dari benda dingin menuju benda panas. Jika proses ini terjadi, maka benda yang dingin akan bertambah dingin, sedangkan benda yang panas akan bertambah panas. Tapi kenyataannya tidak seperti itu…  Terdapat banyak proses ireversibel yang tampaknya berbeda satu sama lain, tapi semuanya berkaitan dengan perubahan bentuk energi dan perpindahan energi dari satu benda ke benda lain. Misalnya ada gempa bumi dasyat sehingga bangunan-bangunan pada roboh (bangunan roboh akibat adanya energi yang dibawa oleh gelombang gempa). Apakah dirimu pernah melihat setiap bagian bangunan yang roboh tersebut ngumpul lagi dan berdiri tegak seperti semula ? Atau misalnya adikmu yang sangat nakal menjatuhkan sebuah gelas ke lantai hingga pecah… Apakah dirimu pernah melihat serpihan-serpihan gelas yang tercecer di lantai ngumpul lagi dan membentuk gelas hingga utuh seperti semula ? Tidak pernah terjadi… masih sangat banyak contoh lain. Sisanya dipikirkan sendiri ya… Semua proses ireversibel tersebut kelihatannya sangat sepele sehingga kadang luput dari perhatian kita. Btw, kesimpulan akhir-nya bikin diriku ketakutan Mengenai hal ini akan gurumuda bahas pada episode berikutnya (Entropi dan hukum kedua termodinamika – pernyataan umum). Terlebih dahulu kita kupas tuntas beberapa pernyataan khusus dari hukum kedua termodinamika…

Untuk menjelaskan proses termodinamika yang hanya terjadi pada satu arah (proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa saja yang bisa terjadi di alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822-1888) membuat sebuah pernyataan berikut :

Kalor berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah; kalor tidak akan berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Clausius).

Pernyataan eyang butut Clausius merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua termodinamika. Disebut pernyataan khusus karena hanya berlaku untuk satu proses saja (berkaitan dengan perpindahan kalor). Karena pernyataan ini tidak berkaitan dengan proses lainnya, maka kita membutuhkan pernyataan yang lebih umum. Perkembangan pernyataan umum hukum kedua termodinamika sebagiannya didasarkan pada studi tentang mesin kalor. Karenanya terlebih dahulu kita bahas mesin kalor…