Bayangkan Anda memiliki sebuah kotak kecil berisi manik-manik hitam dan putih dengan jumlah yang sama. Saat Anda pertama kali mendapatkan kotaknya, semua manik-manik putih disusun dalam satu lapisan di bagian bawah dan semua manik-manik hitam berada di atas.
Namun, segera setelah Anda mulai mengocoknya, keadaan teratur dan rapi ini benar-benar rusak, dan dengan cepat tercampur. Karena ada begitu banyak cara khusus untuk mengatur manik-manik, hampir tidak mungkin bahwa dengan melanjutkan proses pengocokan acak, Anda akan mengembalikan manik-manik ke urutan aslinya.
Penjelasan fisik untuk ini bermuara pada hukum kedua termodinamika, salah satu hukum terpenting dalam semua fisika. Untuk memahami detail hukum ini, Anda perlu mempelajari dasar-dasar keadaan mikro dan makro.
Apa itu Keadaan Mikro?
Keadaan mikro adalah salah satu kemungkinan susunan distribusi energi semua molekul dalam sistem tertutup. Dalam contoh manik-manik di atas, keadaan mikro akan memberi tahu Anda posisi yang tepat dari semua manik-manik hitam dan putih, sehingga Anda benar- benar tahu tentang keadaan keseluruhan sistem, termasuk momentum atau energi kinetik dari masing-masing manik-manik, juga (jika ada gerakan).
Bahkan untuk sistem kecil, Anda memerlukan cukup banyak informasi spesifik untuk benar-benar menentukan keadaan mikro. Misalnya, untuk enam partikel identik dengan sembilan satuan energi yang didistribusikan di antara mereka, terdapat 26 keadaan mikro untuk sistem dengan partikel identik (misalnya, satu di mana sebuah partikel memiliki 9 energi, satu di mana sebuah partikel memiliki 8 dan yang lain memiliki 1, satu di mana satu memiliki 7 dan dua memiliki 1 dan seterusnya). Untuk sistem dengan partikel yang dapat dibedakan (jadi penting partikel spesifik mana yang berada di lokasi spesifik mana), angka ini meningkat menjadi 2002.
Namun, jelas bahwa tingkat informasi tentang sistem ini sulit diperoleh, dan inilah mengapa fisikawan bergantung pada keadaan makro atau menggunakan pendekatan seperti mekanika statistik untuk mendeskripsikan sistem tanpa persyaratan informasi yang besar. Pendekatan ini pada dasarnya “merata-ratakan” perilaku sejumlah besar molekul, menggambarkan sistem dalam istilah yang kurang tepat, tetapi dengan cara yang sama berguna untuk masalah dunia nyata.
Menyusun Molekul Gas dalam Wadah
Misalkan Anda memiliki wadah gas yang mengandung molekul N, di mana N mungkin jumlahnya sangat besar. Sama seperti manik-manik dalam contoh dari pendahuluan, ada sejumlah besar tempat yang dapat ditempati molekul di dalam wadah, dan jumlah keadaan energi yang berbeda untuk molekul juga sangat besar. Berdasarkan definisi keadaan mikro yang diberikan di atas, harus jelas bahwa jumlah kemungkinan keadaan mikro di dalam wadah juga sangat besar.
Tetapi seberapa besar jumlah negara bagian kecil atau negara bagian mikro ini? Untuk satu mol gas pada suhu 1 sampai 4 Kelvin, terdapat 10 26.000.000.000.000.000.000 kemungkinan keadaan mikro. Ukuran angka ini sangat sulit untuk dilebih-lebihkan: Sebagai perbandingan, ada sekitar 1080 atom di seluruh alam semesta. Untuk air cair pada 273 K (yaitu, 0 derajat Celcius), ada 10 1.991.000.000.000.000.000.000.000 keadaan mikro yang dapat diakses – untuk menuliskan angka seperti ini, Anda memerlukan setumpuk kertas tahun cahaya setinggi mungkin.
Tapi ini bukanlah keseluruhan masalah dengan melihat situasi dalam hal keadaan mikro atau kemungkinan keadaan mikro. Sistem secara spontan berubah dari satu keadaan mikro ke keadaan mikro lainnya, secara acak dan terus menerus, menambah tantangan untuk menghasilkan deskripsi yang bermakna dalam istilah-istilah ini.
Apa Itu Keadaan Makro?
Keadaan makro adalah himpunan semua kemungkinan keadaan mikro dari suatu sistem. Ini jauh lebih mudah untuk ditangani daripada keadaan mikro yang berbeda karena Anda dapat menggambarkan keseluruhan sistem hanya dengan beberapa kuantitas makroskopis daripada harus menentukan energi total dan posisi yang tepat dari semua molekul penyusunnya.
Untuk situasi yang sama di mana Anda memiliki sejumlah besar N molekul dalam sebuah kotak, keadaan makro dapat didefinisikan dengan jumlah yang relatif sederhana dan mudah diukur seperti tekanan, suhu dan volume, serta energi total dari sistem. Ini jelas cara yang jauh lebih sederhana untuk mengkarakterisasi sistem daripada melihat molekul individu, dan Anda masih dapat menggunakan informasi ini untuk memprediksi perilaku sistem.
Ada juga postulat terkenal – postulat probabilitas apriori yang sama – yang menyatakan bahwa suatu sistem memiliki probabilitas yang sama untuk berada dalam keadaan mikro mana pun yang konsisten dengan keadaan makro saat ini. Ini tidak sepenuhnya benar, tetapi cukup akurat sehingga bekerja dengan baik untuk banyak situasi, dan dapat menjadi alat yang berguna saat mempertimbangkan kemungkinan keadaan mikro untuk sistem yang diberikan keadaan makro tertentu.
Apa Signifikansi Microstates, Lalu?
Mempertimbangkan betapa rumitnya mengukur atau menentukan keadaan mikro untuk sistem tertentu, Anda mungkin bertanya-tanya mengapa keadaan mikro bahkan merupakan konsep yang berguna bagi fisikawan. Keadaan mikro memang memiliki beberapa kegunaan penting sebagai konsep, dan khususnya, mereka adalah bagian penting dari definisi entropi sistem.
Sebut saja jumlah total keadaan mikro untuk keadaan makro Y tertentu . Ketika suatu sistem mengalami perubahan karena proses termodinamika – seperti pemuaian isotermal misalnya – nilai Y berubah di sampingnya. Perubahan ini dapat digunakan untuk mendapatkan informasi tentang sistem dan seberapa besar perubahan keadaan yang mempengaruhinya. Hukum kedua termodinamika membatasi bagaimana Y dapat berubah, kecuali sesuatu di luar sistem berinteraksi dengannya.
Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi total dari suatu sistem terisolasi (disebut juga sistem tertutup) tidak pernah berkurang, bahkan cenderung meningkat dari waktu ke waktu. Ini adalah hukum fisika yang banyak disalahpahami, terutama karena definisi entropi dan sifat sesuatu yang “tertutup” atau sistem terisolasi.
Bagian paling sederhana dari ini adalah apa artinya mengatakan sesuatu adalah sistem tertutup. Ini berarti bahwa sistem tidak menukar energi apa pun dengan lingkungan sekitarnya, sehingga pada dasarnya “terisolasi” dari alam semesta sekitarnya.
Definisi entropi paling baik diberikan secara matematis, di mana entropi diberi simbol S , Y digunakan untuk jumlah keadaan mikro dan k adalah konstanta Boltzmann ( k = 1,38 × 10 − 23 JK −1 ). Entropi kemudian didefinisikan oleh:
S = k ln (Y)
Ini memberi tahu Anda bahwa entropi bergantung pada logaritma natural dari jumlah keadaan mikro dalam sistem, sehingga sistem dengan kemungkinan keadaan mikro yang lebih banyak memiliki entropi yang lebih tinggi. Anda dapat memahami apa arti hukum jika Anda memikirkannya dalam istilah-istilah ini.
Dalam contoh manik-manik dari pendahuluan, keadaan awal sistem (lapisan manik-manik putih di bagian bawah dengan lapisan manik-manik hitam di atas) adalah entropi yang sangat rendah, karena sangat sedikit keadaan mikro yang akan ada untuk keadaan makro ini (misalnya, di mana manik-manik diurutkan berdasarkan warna).
Sebaliknya, keadaan kemudian, ketika manik-manik telah dicampur, sesuai dengan entropi yang lebih tinggi karena ada banyak keadaan mikro yang akan mereproduksi keadaan makro (yaitu, manik-manik “campuran”). Inilah sebabnya mengapa konsep entropi sering disebut ukuran “ketidakteraturan”, tetapi bagaimanapun juga, seharusnya masuk akal secara intuitif bahwa dalam sistem tertutup, manik-manik hanya akan meningkat dalam entropi tetapi tidak pernah berkurang.
