Hukum Termodinamika

Hukum termodinamika menyatakan batasan universal pada energi, kalor, dan entropi yang mengatur setiap sistem makroskopik, dari mesin uap hingga lubang hitam, terlepas dari detail mikroskopis.

Definition

Hukum termodinamika adalah seperangkat prinsip universal yang didasarkan secara empiris yang membatasi pertukaran dan transformasi energi dalam sistem makroskopik dan mendefinisikan fungsi keadaan suhu, energi internal, dan entropi.

Scope

Area ini mencakup empat hukum dasar termodinamika klasik: hukum kenol dan definisi suhu melalui kesetimbangan termal; hukum pertama sebagai kekekalan energi dengan kalor dan kerja sebagai bentuk transfer energi; hukum kedua, yang memperkenalkan entropi dan arah proses spontan; dan hukum ketiga, yang mengatur perilaku entropi saat suhu mendekati nol absolut. Perumusan hukum-hukum ini, pernyataan ekuivalennya (Kelvin-Planck, Clausius), dan konsekuensinya untuk mesin kalor dan efisiensi disertakan, sedangkan potensial yang diturunkan darinya dan fondasi statistik mikroskopis dibahas di area masing-masing.

Sub-topics

• Hukum Pertama dan Konservasi Energi
• Hukum Kedua dan Entropi
• Hukum Ketiga dan Nol Mutlak
• Hukum Kenol dan Suhu

Core questions

• Bagaimana hukum kenol memungkinkan suhu didefinisikan secara konsisten melalui kesetimbangan termal?
• Bagaimana hukum pertama menjelaskan kalor dan kerja sebagai sarana ekuivalen untuk mengubah energi internal?
• Mengapa hukum kedua memaksakan arah pada waktu melalui ketidakmenurunan entropi?
• Apa implikasi hukum ketiga tentang ketercapaian nol absolut dan perilaku entropi di sana?

Key concepts

• Kesetimbangan termal dan suhu empiris
• Energi internal, kalor, dan kerja
• Entropi dan ireversibilitas
• Mesin kalor, siklus Carnot, dan efisiensi
• Nol absolut dan prinsip ketidakmungkinan pencapaian

Key theories

Hukum pertama (kekekalan energi)

Energi internal sistem tertutup hanya berubah melalui kalor yang ditambahkan ke atau kerja yang dilakukan oleh sistem, dU = dQ - dW, menetapkan energi sebagai fungsi keadaan yang kekal.

Hukum kedua dan prinsip Carnot

Tidak ada proses siklik yang dapat mengubah kalor sepenuhnya menjadi kerja; efisiensi maksimum mesin kalor apa pun yang beroperasi di antara dua reservoir ditentukan oleh suhunya, dan entropi tidak pernah berkurang dalam sistem terisolasi.

Clinical relevance

Hukum termodinamika menetapkan batas efisiensi semua mesin, lemari es, dan pembangkit listrik, mendasari energetika kimia dan biologi, serta membingkai pertanyaan mendalam tentang panah waktu dan nasib akhir sistem fisik.

History

Berasal dari analisis mesin kalor Carnot tahun 1824, termodinamika terbentuk pada tahun 1850-an ketika Clausius dan Kelvin merumuskan hukum pertama dan kedua serta Clausius menciptakan konsep entropi; Nernst menambahkan hukum ketiga pada awal abad kedua puluh.

Key figures

• Sadi Carnot
• Rudolf Clausius
• William Thomson (Lord Kelvin)

Seminal works

• carnot1824
• callen1985
• fermi1956

Frequently asked questions

Mengapa disebut hukum 'kenol'?

Hukum ini diakui secara logis lebih dahulu daripada hukum pertama dan kedua hanya setelah hukum-hukum tersebut diberi nama, sehingga diberi nomor nol untuk menjaga nama-nama yang sudah ada tetap utuh sambil mengakui bahwa hukum ini mendasari definisi suhu itu sendiri.

Apakah hukum kedua melarang penurunan entropi lokal?

Tidak. Entropi dapat berkurang di sebagian sistem, seperti ketika lemari es mendinginkan bagian dalamnya, asalkan total entropi sistem ditambah lingkungannya tidak berkurang.