Setelah memahami Hukum Pertama (Kekekalan Energi), kita masuk ke Hukum Kedua Termodinamika, yang menentukan apakah suatu proses mungkin terjadi (kelayakan) dan menunjukkan arah perubahannya. Hukum ini memperkenalkan konsep sentral dalam fisika: Entropi.

1. Kegagalan Hukum Pertama dan Kebutuhan Hukum Kedua

Hukum Pertama Termodinamika (Hukum Kekekalan Energi) hanya menyatakan bahwa energi harus seimbang (ΔU=Q−W). Namun, hukum ini gagal menjelaskan dua hal krusial:

1. Arah Proses Spontan: Hukum Pertama tidak melarang panas mengalir dari benda dingin ke benda panas, padahal secara alami ini tidak pernah terjadi.
2. Kualitas Energi: Hukum Pertama memperlakukan semua bentuk energi setara (kerja dapat diubah 100% menjadi panas, tetapi panas tidak dapat 100% diubah kembali menjadi kerja).

Hukum Kedua mengisi celah ini dengan memperkenalkan konsep yang mengatur arah dan kualitas energi.

---

2. Pernyataan Hukum Kedua Termodinamika

Hukum Kedua memiliki dua pernyataan klasik yang, meskipun tampak berbeda, keduanya saling ekuivalen:

A. Pernyataan Kelvin-Planck (Fokus pada Mesin Kalor)

“Mustahil bagi perangkat manapun yang beroperasi dalam suatu siklus untuk menerima panas dari satu reservoir suhu tunggal dan menghasilkan sejumlah usaha (kerja) bersih.”

Analisis Rinci:

• Siklus: Perangkat harus kembali ke kondisi awal (beroperasi secara berkelanjutan).
• Satu Reservoir: Mesin harus berinteraksi dengan setidaknya dua reservoir suhu: satu sumber panas tinggi (TH​) dan satu pembuangan panas rendah (TC​).
• Implikasi Utama: Sebuah mesin kalor tidak dapat memiliki efisiensi termal 100% (η=1). Selalu ada sebagian panas (QC​) yang harus dibuang ke lingkungan (reservoir suhu rendah) yang disebut limbah panas (heat rejection).

B. Pernyataan Clausius (Fokus pada Mesin Pendingin)

“Mustahil bagi perangkat manapun yang beroperasi dalam siklus untuk memindahkan panas dari reservoir suhu rendah ke reservoir suhu tinggi tanpa ada usaha (kerja) bersih dari luar.”

Analisis Rinci:

• Proses Spontan: Secara alamiah, panas mengalir dari TH​ ke TC​.
• Proses Non-Spontan: Untuk membalik arah aliran panas (dari TC​ ke TH​, seperti pada kulkas atau AC), usaha eksternal (Wmasuk​) mutlak diperlukan.
• Implikasi Utama: Mesin pendingin dan pompa kalor harus mengkonsumsi daya untuk beroperasi.

---

3. Entropi (S): Properti Kualitas Energi

Entropi (S) adalah properti termodinamika yang, dalam konteks makroskopis, berfungsi sebagai ukuran ketidakteraturan atau randomness suatu sistem.

Secara fundamental, Entropi mengukur kualitas energi atau, lebih tepatnya, ketidaktersediaan energi untuk melakukan usaha. Energi yang memiliki Entropi tinggi adalah energi yang lebih tersebar dan kurang berguna.

Perubahan Entropi (dS)

Entropi dapat didefinisikan secara kuantitatif melalui laju perubahan entropi:

dS=(TδQ​)rev​

• δQ: Jumlah kecil transfer panas.
• T: Suhu absolut (Kelvin) di mana transfer panas terjadi.
• rev​: Menunjukkan bahwa hubungan ini hanya berlaku untuk proses reversibel (ideal).

Prinsip Peningkatan Entropi (Entropi Semesta)

Hukum Kedua dirangkum dalam prinsip paling fundamental ini:

“Entropi suatu sistem terisolasi (atau alam semesta) selama proses ireversibel selalu meningkat; dalam batas ideal (proses reversibel), entropi tetap konstan.”

ΔSsemesta​=ΔSsistem​+ΔSlingkungan​≥0

• Proses Nyata (Ireversibel): ΔSsemesta​>0. Inilah yang terjadi di dunia nyata, menghasilkan generasi entropi atau ireversibilitas.
• Proses Ideal (Reversibel): ΔSsemesta​=0.

Generasi Entropi, Sgen​, adalah ukuran langsung dari pemborosan energi karena faktor-faktor seperti gesekan, pencampuran, atau perpindahan panas akibat beda suhu yang besar.

---

4. Analisis Hukum Kedua untuk Sistem Terbuka (Volume Kontrol)

Hukum Kedua diterapkan pada sistem terbuka (Volume Kontrol) dikenal sebagai Persamaan Laju Entropi.

Untuk menganalisis turbin, kompresor, atau nosel (yang merupakan sistem terbuka), kita harus mempertimbangkan tiga cara entropi berpindah:

1. Transfer Panas: Perpindahan entropi melintasi batas karena adanya transfer panas (Q˙​).
2. Transfer Massa: Entropi dibawa masuk/keluar oleh aliran massa (m˙s).
3. Generasi Internal: Entropi dihasilkan di dalam volume kontrol karena ireversibilitas (S˙gen​).

Persamaan Laju Entropi

Laju perubahan entropi yang tersimpan dalam volume kontrol adalah:

dtdSVC​​=j∑​Tj​Q˙​j​​+masuk∑​m˙s−keluar∑​m˙s+S˙gen​

• dtdSVC​​: Laju perubahan entropi di dalam volume kontrol.
• ∑j​Tj​Q˙​j​​: Laju transfer entropi akibat Kalor.
• ∑m˙s: Laju transfer entropi akibat Massa.
• S˙gen​: Laju generasi Entropi (selalu ≥0).

Kasus Aliran Stabil (Steady Flow)

Sebagian besar peralatan teknik beroperasi dalam kondisi stabil, di mana dtdSVC​​=0. Persamaan menjadi:

S˙gen​=keluar∑​m˙s−masuk∑​m˙s−j∑​Tj​Q˙​j​​

Persamaan ini memungkinkan insinyur untuk:

1. Menghitung S˙gen​, yang merupakan ukuran langsung dari seberapa boros atau ireversibel alat tersebut beroperasi.
2. Mengevaluasi kondisi operasi isentropik (entropi konstan, S˙gen​=0), yang merupakan batas ideal reversibel.

---

5. Efisiensi Isentropik (Kinerja Alat Nyata)

Untuk mengukur kinerja aktual peralatan aliran (turbin, kompresor, nosel) dibandingkan dengan kinerja idealnya (isentropik), digunakan Efisiensi Isentropik (ηi​).

A. Efisiensi Isentropik Turbin (ηT​)

Turbin ideal menghasilkan kerja maksimum ketika proses ekspansi uap atau gas berlangsung secara isentropik (Δs=0).

ηT​=Kerja yang dihasilkan ideal (isentropik)Kerja yang dihasilkan sebenarnya​=ws​wa​​=h1​−h2s​h1​−h2a​​

• h2a​: Entalpi keluar aktual.
• h2s​: Entalpi keluar isentropik (pada tekanan yang sama dengan h2a​ tetapi dengan s2s​=s1​).

B. Efisiensi Isentropik Kompresor (ηC​)

Kompresor ideal memerlukan kerja minimum untuk menaikkan tekanan jika proses kompresi berlangsung isentropik.

ηC​=Kerja yang dibutuhkan sebenarnyaKerja yang dibutuhkan ideal (isentropik)​=wa​ws​​=h2a​−h1​h2s​−h1​​

• Dalam kedua kasus, wa​ (kerja aktual) selalu melibatkan S˙gen​>0.

---

6. Aplikasi Lanjutan: Siklus Daya

Hukum Kedua adalah alat utama dalam menganalisis siklus daya termodinamika untuk mencapai efisiensi maksimum.

A. Siklus Carnot (Batas Ideal)

Ini adalah siklus empat proses paling efisien yang mungkin, menetapkan batas atas kinerja termal:

ηCarnot​=1−Tpanas​Tdingin​​

B. Siklus Rankine (Pembangkit Uap)

Siklus kerja untuk pembangkit listrik tenaga uap. Efisiensinya diukur dari kerja bersih yang dihasilkan dibagi panas yang dimasukkan di boiler.

ηRankine​=qboiler​wturbin​−wpompa​​

C. Siklus Brayton (Turbin Gas)

Siklus kerja untuk mesin jet dan turbin gas. Efisiensi dihitung dengan rumus yang serupa, menggunakan entalpi pada setiap tahap kompresor, ruang bakar, dan turbin.

Memahami Entropi memungkinkan insinyur untuk mengidentifikasi komponen dalam siklus (misalnya turbin atau kompresor) yang paling banyak menghasilkan ireversibilitas, sehingga dapat merancang perbaikan untuk meningkatkan efisiensi total sistem.