Hukum II Termodinamika & Entropi — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menjelaskan arah alami aliran kalor lewat hukum II termodinamika, menghitung perubahan entropi, dan menentukan efisiensi maksimum mesin kalor Carnot.

Tetes tinta dalam gelas air selalu menyebar, tidak pernah berkumpul kembali jadi setetes. Kopi panas di meja selalu mendingin, tidak pernah menghangat sendiri. Sekam padi yang berantakan tidak pernah menumpuk sendiri jadi karung rapi. Semua kejadian ini berbagi satu hukum: alam punya arah, dan entropi hanya bisa naik. Geser slider di bawah dan lihat arahnya sendiri.

Geser slider suhu, lalu amati molekul gas yang makin cepat menabrak dinding saat suhu naik.

Arah alami kalor: panas ke dingin

Hukum I termodinamika mengatur jumlah energi yang berimbang. Tapi ia tidak menjelaskan mengapa kalor selalu mengalir dari benda panas ke dingin, tidak pernah sebaliknya dengan sendirinya. Inilah wilayah hukum II termodinamika: alam punya arah, dan kalor secara spontan hanya mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah.

Saat dua benda bersentuhan, molekul panas (cepat) menabrak molekul dingin (lambat) dan meneruskan sebagian energinya. Energi rata-rata perlahan menyamakan diri — tidak pernah terjadi molekul lambat tiba-tiba makin lambat dan molekul cepat makin cepat sendirian, karena tumbukan acak menyebarkan energi, bukan mengumpulkannya.

Pada grafik di bawah, dua benda bersuhu berbeda bersentuhan. Geser slider dan lihat kedua kurva suhu yang konvergen ke suhu setimbang — itulah arah alami yang tidak pernah terbalik tanpa kerja dari luar.

Entropi: ukuran ketakteraturan

Entropi ( $S$ ) mengukur seberapa tersebar energi, atau seberapa banyak cara mikroskopis suatu keadaan dapat terwujud. Tinta terurai di gelas memiliki jauh lebih banyak susunan molekul yang mungkin daripada tinta terkumpul sebagai setetes — itulah sebabnya keadaan tersebar lebih mungkin, dan itulah arah alami perubahan.

$\Delta S = \frac{Q}{T}$

Arti tiap simbol: $\Delta S$ = perubahan entropi (joule per kelvin, J/K), $Q$ = kalor yang dipertukarkan pada suhu tetap (joule), $T$ = suhu mutlak (kelvin).

Entropi seperti kamar anak SMP. Ada satu susunan rapi (karung terisi, lantai bersih) tapi ribuan susunan berantakan. Secara acak, kamarmu akan terosak menuju salah satu susunan berantakan itu — bukan karena alam membenci kerapian, tapi karena kerapian adalah keadaan yang sangat kecil peluangnya. Begitu pula gas, kalor, dan semua proses spontan.

Pada alat di bawah, gas terkumpul di satu sisi piston lalu sekat dilepas. Molekul menyebar ke seluruh ruang dan tidak pernah berkumpul kembali sendiri — meter entropi hanya bisa naik.

Mesin kalor dan batas Carnot

Mesin kalor adalah perangkat yang mengubah kalor menjadi kerja: ia menyerap kalor $Q_H$ dari reservoir panas, melakukan kerja $W$ , dan membuang sisanya $Q_C$ ke reservoir dingin. Efisiensinya $\eta = W / Q_H = 1 - Q_C / Q_H$ . Hukum II menetapkan: tidak ada mesin 100% efisien — selalu ada kalor yang terbuang.

$\eta_{\text{Carnot}} = 1 - \frac{T_C}{T_H}$

Arti tiap simbol: $\eta_{\text{Carnot}}$ = efisiensi maksimum teoretis (tanpa satuan), $T_C$ = suhu mutlak reservoir dingin (kelvin), $T_H$ = suhu mutlak reservoir panas (kelvin). Selalu $T_H > T_C$ .

Siklus Carnot adalah mesin kalor ideal reversibel — batas atas efisiensi yang tak mungkin dilampaui mesin nyata mana pun. Makin besar rasio $T_H/T_C$ , makin tinggi efisiensi maksimumnya. Itulah sebabnya pembangkit listrik berusaha memakai uap setinggi mungkin suhunya. Pada grafik di bawah, geser slider kedua suhu dan amati efisiensi Carnot yang naik saat rasio suhu membesar.

Topik hukum II dan entropi termasuk elemen kalor-termodinamika TKA Fisika (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Soal paling sering menyerang: (1) menghitung $\Delta S = Q/T$ pada peleburan/penguapan, (2) membandingkan efisiensi mesin nyata dengan Carnot, (3) menentukan arah spontan suatu proses. Ingat: suhu WAJIB dalam Kelvin, dan efisiensi Carnot selalu lebih besar dari efisiensi mesin nyata.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebanyak 0,5 kg es melebur pada 0 °C (273 K) dengan kalor laten peleburan $L_f = 334.000$ J/kg. (a) Berapa kalor yang diserap? (b) Berapa perubahan entropi es saat melebur? (c) Mesin kalor Carnot bekerja antara reservoir 800 K dan 300 K — berapa efisiensi maksimumnya?

$Q = m \cdot L_f = 0{,}5 \times 334.000 = 167.000$ J. Kalor positif karena diserap es.

Karena peleburan terjadi pada suhu tetap 273 K: $\Delta S = Q / T = 167.000 / 273 \approx 612$ J/K. Entropi naik — wajar, cairan lebih tak teratur daripada padatan.

$\eta_{\text{Carnot}} = 1 - T_C / T_H = 1 - 300 / 800 = 1 - 0{,}375 = 0{,}625$ atau 62,5%. Inilah batas atas yang tak dapat dilampaui mesin nyata apa pun.

Jebakan: memakai suhu Celsius di $\Delta S = Q/T$ atau $\eta = 1 - T_C/T_H$ . Yang benar: suhu WAJIB dalam Kelvin. $T(\text{K}) = T(°\text{C}) + 273{,}15$ . Memakai Celsius menghasilkan jawaban tak bermakna (bahkan pembagian oleh nol di 0 °C).

Jebakan: menyangka mesin nyata bisa menyamai efisiensi Carnot. Yang benar: Carnot adalah batas atas ideal reversibel; mesin nyata selalu kurang karena gesekan dan irreversibilitas. Kalau soal bilang efisiensi mesin > Carnot, mustahil — periksa lagi hitunganmu.

Jebakan: mengira “entropi bisa turun sendiri”. Yang benar: dalam proses spontan, entropi total (sistem + lingkungan) hanya bisa naik atau tetap, tidak pernah turun. Sistem kecil bisa turun entropinya, tapi hanya dengan menaikkan entropi lingkungan yang lebih besar.

Hukum II: kalor spontan hanya mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah; alam punya arah.
Entropi $S$ mengukur ketakteraturan; $\Delta S = Q/T$ untuk proses isotermal.
Entropi alam semesta cenderung bertambah dalam proses spontan, tak pernah berkurang sendiri.
Mesin kalor: $\eta = 1 - Q_C/Q_H$ ; tidak ada yang 100% efisien.
Efisiensi Carnot $\eta = 1 - T_C/T_H$ adalah batas atas teoretis; suhu harus Kelvin.