Pernyataan khusus hukum termodinamik kedua tidak dapat menerangkan semua proses tak boleh balik, jadi kita memerlukan pernyataan umum. Pernyataan umum ini dijangka dapat menjelaskan semua proses tak boleh balik yang berlaku di alam semesta. Pernyataan umum hukum termodinamik kedua dirumuskan pada pertengahan abad kesembilan belas, melalui kuantiti yang dipanggil entropi (S). Entropi pertama kali diperkenalkan oleh Clausius dan dirumuskan daripada kitaran Carnot (enjin kalori sempurna). Menurut Clausius, perubahan entropi dialami oleh sistem, apabila sistem mendapat haba tambahan (Q) pada suhu malar, yang diwakili oleh persamaan:
ΔS = Perubahan entropi, Q = Haba, T = Suhu T
Entropi ialah kuantiti yang menyatakan keadaan mikroskopik sistem supaya ia tidak dapat diketahui secara langsung. Yang boleh dikira hanya perubahan entropi. Sama seperti perubahan tenaga dalaman dalam hukum termodinamik pertama.
Contoh 1:
Gas di dalam bekas itu mengembang secara adiabatik. Perubahan entropi gas ialah…
Penyelesaian
Semasa proses adiabatik, tiada haba yang masuk atau keluar dari sistem (gas). Oleh kerana Q = 0 maka ΔS = 0. Entropi sistem adalah malar. Bagaimana pula dengan mampatan adiabatik? Semasa mampatan adiabatik, tiada haba yang masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Oleh itu, entropi sistem adalah malar.
Contoh 2:
Enjin Carnot menyerap haba 2000 J pada 500 K, membebaskan haba pada 350 K. Kira haba yang dibebaskan dan perubahan dalam jumlah entropi untuk satu kitaran.
Penyelesaian
T = 500 K
QH = 2000 J
T L = 350 K
QL = ….. ?
Jika sistem menerima haba, Q adalah positif, jika sistem membebaskan haba, Q adalah negatif.
Semasa satu kitaran, enjin Carnot menjalani dua proses isoterma boleh balik (pengembangan isoterma + mampatan isoterma) dan dua proses adiabatik boleh balik (pengembangan adiabatik dan mampatan adiabatik). Semasa pengembangan dan mampatan, tiada haba masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Oleh kerana Q = 0, entropi berubah semasa proses adiabatik = 0.
Semasa pengembangan isoterma, enjin menyerap haba (Q) sebanyak 2000 J pada suhu (T) 500 K. Oleh kerana enjin menyerap haba, maka Q adalah positif. Perubahan entropi mesin semasa pengembangan isoterma ialah:
Semasa mampatan isoterma, enjin membebaskan haba (Q) sebanyak 1400 J pada suhu (T) 350 K. Oleh kerana enjin membebaskan haba, maka Q adalah negatif. Perubahan entropi mesin semasa penekan isoterma ialah:
Jumlah perubahan entropi = 4 J / K – 4 J / K = 0
Contoh 3:
Enjin menyerap 600 J haba pada suhu 300 °C, membebaskan haba pada suhu 100 °C. Mengira haba yang dibebaskan dan perubahan dalam jumlah entropi untuk satu kitaran
Penyelesaian
T = 300 K
QH = 600 J
T L = 100 K
QL =?
Semasa satu kitaran, enjin Carnot menjalani dua proses isoterma boleh balik (pengembangan isoterma + mampatan isoterma) dan dua proses adiabatik boleh balik (pemampatan adiabatik dan pengembangan adiabatik). Semasa pengembangan dan mampatan adiabatik, tiada haba masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Oleh kerana Q = 0 maka perubahan entropi semasa proses adiabatik = 0.
Semasa pengembangan isoterma, enjin menyerap haba (Q) sebanyak 600 J pada suhu (T) 300 K. Oleh kerana enjin menyerap haba, maka Q adalah positif. Perubahan entropi mesin semasa pengembangan isoterma ialah:
Semasa mampatan isoterma, enjin membebaskan haba (Q) 200 J pada suhu (T) 100 K. Oleh kerana enjin membebaskan haba, maka Q adalah negatif. Perubahan entropi mesin semasa mampatan isoterma ialah:
Jumlah perubahan entropi = 2 J / K – 2 J / K = 0
Berdasarkan contoh nombor 2 dan contoh nombor 3, jumlah perubahan entropi untuk proses boleh balik = 0. Dalam proses boleh balik, jumlah entropi sentiasa malar.
Contoh 4:
Ais 2 kg pada suhu 0 °C menyerap haba, jadi ia cair. Kirakan perubahan entropi ais. (Haba pelakuran untuk air = 3.34 x 105 J / Kg)
Penyelesaian
Jisim ais = 2 kg
Suhu ais = 0 ° C + 273 = 273 K
Haba pelakuran untuk air = 3.34 x 105 J / Kg
Haba yang diperlukan untuk mencairkan 2 kg ais ke dalam air:
Q = mL
Q = (2 kg)(3.34 x 105 J /Kg)
Q = 6.68 x 10 5 J
Q = 668 x 10 3 J
Semasa proses peleburan (ais kepada air), suhu adalah malar. Oleh kerana suhu adalah malar, maka perubahan entropi ais ialah:
Contoh 5:
Air pada suhu 26 °C dicampurkan dengan air pada suhu 22 °C. Jisim air ialah 2 kg. Kirakan perubahan entropi air. Air panas dan air sejuk dicampurkan dalam bekas tertutup yang bertebat baik. Pemindahan haba merupakan proses yang tidak dapat dipulihkan.
Penyelesaian
Haba tentu air (c) = 4180 J/Kg C₂o
Jisim air = 2 kg
Jisim air adalah sama, jadi suhu akhir = 24 o C (26 o C + 22 o C / 2 = 48 o C / 2 = 24 o C).
Jumlah haba yang dibebaskan oleh air panas apabila suhu dikurangkan daripada 26 °C – 24 °C ialah:
Q = mc ΔT = (2 kg) (4180 J / kg C o ) (26 o C – 24 o C) = (2 Kg) (4180 J / kg C o ) (2 o C) = 16720 J
Jumlah haba yang diserap oleh air sejuk apabila suhu meningkat dari 22 ° C – 24 ° C ialah:
Q = mc ΔT = (2 kg) (4180 J / kg C o ) (24 o C – 22 o C) = (2 kg) (4180 J / kg C o ) (2 o C) = 16720 J
Perubahan entropi keseluruhan = perubahan entropi air panas + perubahan entropi air sejuk
ΔS = ΔS air panas + ΔS air sejuk
ΔS = Q/T + Q/T
Purata suhu air panas = (26 o C + 24 o C) / 2 = 50 o C / 2 = 25 o C —- 25 + 273 = 298 K
Suhu purata air sejuk = (22 o C + 24 o C) / 2 = 46 o C / 2 = 23 o C —- 23 + 273 = 296 K
Air panas membebaskan haba, jadi Q adalah negatif. Air sejuk menyerap haba, jadi Q adalah positif.
ΔS = ΔS air panas + ΔS air sejuk
ΔS = -Q/T + Q/T
ΔS = -16720/298 + 16720/296
ΔS = -56.107 + 56.486
ΔS = 0.379 J/K
Jumlah entropi meningkat sebanyak 0.379 J/K
Walaupun entropi separa sistem berkurangan (-56.107 J/K), entropi separa sistem meningkat dalam kuantiti yang lebih besar (+ 56.486 J/K) supaya jumlah entropi sentiasa meningkat (+ 0.379 J/K).
Peningkatan jumlah entropi dalam proses tak boleh balik bukan sahaja terpakai kepada pemindahan haba antara campuran air panas dan sejuk yang dianalisis di atas, tetapi juga terpakai kepada semua kes yang diperiksa oleh saintis. Jumlah entropi tetap jika proses berlaku secara boleh balik. Jika proses berlaku secara tak boleh balik, maka jumlah entropi sentiasa meningkat.
Semua proses semula jadi dalam kehidupan seharian kita tidak boleh dipulihkan sehingga jumlah entropi mesti meningkat. Fakta ini diringkaskan dalam ayat berikut:
Dalam proses yang tidak dapat dipulihkan, jumlah entropi sistem dan persekitaran sentiasa meningkat.
Pernyataan ini merupakan pernyataan umum bagi hukum termodinamik kedua. Hukum termodinamik kedua adalah berbeza daripada hukum fizik yang lain. Biasanya, hukum fizik dinyatakan berkaitan dengan persamaan (hukum Newton) atau dalam bentuk hukum keabadian (hukum pemuliharaan tenaga).
