Hukum termodinamika menggambarkan hubungan antara energi kalor, atau panas, dan bentuk lain dari energi, dan bagaimana energi mempengaruhi materi. Hukum Pertama Termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan; jumlah total energi di alam semesta tetap sama.

Hukum Kedua Termodinamika adalah tentang kualitas energi. Ini menyatakan bahwa saat energi ditransfer atau diubah, banyak dan lebih dari itu adalah sia-sia. Hukum Kedua juga menyatakan bahwa ada kecenderungan alami dari setiap sistem terisolasi untuk berubah menjadi keadaan yang lebih tidak teratur.

Saibal Mitra, seorang profesor fisika di Missouri State University, menemukan Hukum Kedua menjadi yang paling menarik dari empat hukum termodinamika. “Ada sejumlah cara untuk menyatakan hukum Kedua,” katanya. “Pada tingkat yang sangat mikroskopis, itu hanya mengatakan bahwa jika Anda memiliki sistem yang terisolasi, setiap proses alami dalam sistem akan berkembang ke arah gangguan yang meningkat , atau entropi, dari sistem. ”

Mitranya menjelaskan bahwa semua proses menghasilkan peningkatan entropi. Bahkan ketika penyusunan tersebut ditingkatkan pada lokasi tertentu, misalnya dengan self-assembly molekul untuk membentuk sebuah organisme hidup, ketika Anda mengambil seluruh sistem termasuk lingkungan dalam perhitungan, selalu ada kenaikan bersih entropi.

Dalam contoh lain, kristal dapat terbentuk dari larutan garam saat air menguap. Kristal yang lebih teratur daripada molekul garam dalam larutan; Namun, air menguap jauh lebih tertib daripada air cair. Proses diambil sebagai hasil keseluruhan dalam kenaikan bersih gangguan.

Sejarah

Dalam bukunya, “A New Kind of Science,” tulis Stephen Wolfram, “Sekitar 1850 Rudolf Clausius dan William Thomson (Lord Kelvin) menyatakan bahwa kalor tidak spontan mengalir dari benda dingin ke benda panas.” Ini menjadi dasar untuk Hukum Kedua.

Karya berikutnya oleh Daniel Bernoulli, James Clerk Maxwell, dan Ludwig Boltzmann menyebabkan perkembangan dari teori kinetik gas, di mana gas dikenali sebagai awan molekul dalam gerakan yang dapat dilihat secara statistik. Pendekatan statistik ini memungkinkan untuk perhitungan yang tepat dari suhu, tekanan dan volume sesuai dengan hukum gas ideal.

Pendekatan ini juga menyebabkan kesimpulan bahwa saat tumbukan antara molekul individu benar-benar reversibel, yaitu, usaha mereka sama ketika memainkan maju atau mundur, untuk sejumlah besar gas, kecepatan molekul individu cenderung dari waktu ke waktu untuk membentuk distribusi normal atau Gaussian, kadang-kadang digambarkan sebagai “kurva lonceng,” sekitar kecepatan rata-rata. Hasil ini adalah ketika gas panas dan gas dingin ditempatkan bersama dalam wadah, Anda akhirnya berakhir dengan gas hangat. Namun, gas hangat tidak akan pernah spontan memisahkan diri menjadi gas panas dan dingin, yang berarti bahwa proses pencampuran gas panas dan dingin tidak dapat diubah. Ini telah sering diringkas sebagai, “Anda tidak bisa menguraikan telur.” Menurut Wolfram, Boltzmann menyadari sekitar 1876 bahwa alasan untuk ini adalah harus ada banyak keadaan yang lebih teratur untuk sistem daripada mengurutkan keadaan; Oleh karena itu interaksi acak pasti akan mengakibatkan gangguan yang lebih besar.

Usaha dan energi

Satu hal tentang Hukum Kedua menjelaskan adalah bahwa tidak mungkin untuk mengubah energi kalor menjadi energi mekanik dengan efisiensi 100 persen. Setelah proses pemanasan gas akan meningkatkan tekanan untuk mendorong piston, selalu ada beberapa kalor sisa pada gas yang tidak dapat digunakan untuk melakukan usaha tambahan. Limbah panas ini harus dibuang dengan mentransfer ke heat sink. Selain itu, perangkat dengan bagian bergerak menghasilkan gesekan yang mengubah energi mekanik panas yang umumnya tidak dapat digunakan dan harus dihapus dari sistem dengan mentransfer ke heat sink. Inilah sebabnya mengapa klaim untuk mesin gerak abadi ditolak oleh Kantor Paten Amerika Serikat.

Ketika benda panas dan dingin terjadi kontak satu sama lain, energi panas akan mengalir dari benda panas ke benda dingin sampai mereka mencapai kesetimbangan termal, yaitu, suhu yang sama. Namun, panas tidak akan bergerak kembali dengan cara lain; perbedaan suhu dari dua benda tidak akan spontan meningkat. Pindah panas dari benda dingin ke benda panas membutuhkan usaha yang harus dilakukan oleh sumber energi eksternal seperti pompa panas.

Panah waktu

Hukum Kedua menunjukkan bahwa proses termodinamika, yaitu, proses yang melibatkan transfer atau konversi energi panas, yang ireversibel karena mereka semua menghasilkan peningkatan entropi. Mungkin salah satu implikasi yang paling konsekuensial dari Hukum Kedua, menurut Mitra, adalah bahwa hal itu memberi kita panah termodinamika waktu.

Secara teori, beberapa interaksi, seperti tumbukan benda kaku atau reaksi kimia tertentu, terlihat sama apakah mereka berjalan ke depan atau ke belakang. Dalam prakteknya, bagaimanapun, semua energi tunduk pada inefisiensi, seperti gesekan dan kehilangan panas radiasi, yang meningkatkan entropi dari sistem yang diamati. Oleh karena itu, karena tidak ada hal seperti itu sebagai proses reversibel sempurna, jika seseorang bertanya apa adalah arah waktu, kita bisa menjawab dengan keyakinan bahwa waktu selalu mengalir ke arah peningkatan entropi.

Nasib alam semesta

Hukum Kedua juga memprediksi akhir alam semesta, menurut Boston University. . “Ini menyiratkan bahwa alam semesta akan berakhir dalam ‘panas kematian’ di mana semuanya pada suhu yang sama ini adalah tingkat tertinggi dari gangguan, jika semuanya pada suhu yang sama, tidak ada usaha yang bisa dilakukan, dan semua energi akan berakhir sebagai gerakan acak atom dan molekul. ”

Dalam waktu yang lama, bintang akan menggunakan semua bahan bakar nuklir mereka berakhir menjadi sisa-sisa sebagai bintang, seperti katai putih, bintang neutron atau lubang hitam, menurut Margaret Murray Hanson, seorang profesor fisika di University of Cincinnati. Mereka akhirnya akan menguap menjadi proton, elektron, foton dan neutrino, akhirnya mencapai kesetimbangan termal dengan sisa alam semesta. Untungnya, John Baez, seorang ahli fisika matematika di University of California Riverside, memprediksi bahwa proses pendinginan ini bisa memakan waktu selama 10^{(10 ^ 26)} (1 diikuti oleh 10²⁶ (100 septillion) nol) tahun dengan suhu jatuh ke sekitar 10^-30 K (10^-30 C di atas nol mutlak).