Entropi: Ukuran Ketidakteraturan dalam Fisika
"Entropi adalah konsep dalam termodinamika dan teori informasi yang mengukur tingkat ketidakteraturan, keacakan, atau ketidakpastian dalam suatu sistem"
4 min read
 |
| Teori Entropi |
Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang digunakan untuk mengukur energi dalam suatu sistem per satuan temperatur yang tidak dapat digunakan untuk melakukan usaha atau kerja. Ini sering digambarkan sebagai ukuran derajat ketidakteraturan, keacakan, kekacauan, atau ketidakefisienan suatu proses.
Konsep entropi pertama kali diperkenalkan oleh Rudolf Clausius pada tahun 1865. Kata "entropi" sendiri berasal dari bahasa Yunani "entropía", yang berarti "masuk" (en-) dan "mengubah" atau "mengonversi" (tropē). Dalam persamaan, entropi dilambangkan dengan huruf "S" dan memiliki Satuan Internasional joule per kelvin (J/K), yang menunjukkan dimensinya sebagai energi dibagi temperatur.
Entropi dan Hukum Termodinamika
Konsep entropi sangat erat kaitannya dengan hukum termodinamika, khususnya Hukum Kedua Termodinamika. Hukum ini menyatakan bahwa entropi dari sistem yang terisolasi selalu bertambah atau tetap konstan. Hal ini berarti bahwa proses alami cenderung bergerak menuju peningkatan ketidakteraturan. Jika suatu proses berlangsung secara spontan, maka entropi total sistem dan lingkungannya akan meningkat.
Berbeda dengan Hukum Pertama Termodinamika yang hanya menyatakan kekekalan energi (bahwa total energi dalam suatu sistem tertutup tetap konstan meskipun mengalami perubahan bentuk), Hukum Kedua yang membahas entropi melengkapi pemahaman kita dengan memberikan informasi tentang arah jalannya suatu proses. Panas, misalnya, selalu mengalir secara spontan dari daerah yang suhunya lebih tinggi ke daerah yang suhunya lebih rendah. Dalam sistem yang panasnya terisolasi, entropi hanya berjalan satu arah dan tidak dapat dibalik (proses ireversibel).
Meskipun total entropi alam semesta atau sistem terisolasi cenderung selalu meningkat, entropi dalam suatu subsistem tertentu dapat mengalami penurunan. Namun, penurunan ini selalu diimbangi oleh peningkatan entropi yang lebih besar di subsistem lain atau lingkungannya, sehingga total entropi bersih secara keseluruhan tetap meningkat. Ini menunjukkan bahwa entropi tidak bersifat konservatif seperti energi.
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Entropi
Perubahan entropi suatu zat dapat diamati dan dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain:
- Perubahan temperatur: Semakin tinggi temperatur suatu zat, semakin meningkat pula entropi yang dihasilkan, karena kenaikan temperatur menunjukkan kenaikan energi kinetik rata-rata partikel.
- Keadaan fisik dan perubahan fasa: Entropi suatu zat akan meningkat ketika berubah dari fasa yang lebih teratur ke fasa yang kurang teratur. Urutan peningkatan entropi berdasarkan fasa adalah padat (solid) < cair (liquid) < gas. Misalnya, es padat memiliki entropi rendah, mencair menjadi air cair meningkatkan entropinya, dan menguap menjadi gas akan semakin meningkatkan entropinya.
- Pelarutan padat atau cair: Ketika suatu zat padat atau cair dilarutkan, entropinya cenderung naik karena molekul-molekul menjadi lebih tersebar dan tidak teratur.
- Pelarutan gas: Meskipun gas memiliki entropi yang tinggi, entropi gas yang dilarutkan dalam bentuk cair atau padat akan lebih kecil dibandingkan gas murni.
- Ukuran atom atau kompleksitas molekul: Untuk zat dengan fasa yang sama, semakin besar dan semakin kompleks suatu molekul (misalnya, jumlah atom dalam senyawa), maka nilai entropinya akan semakin tinggi.
Contoh Entropi dalam Kehidupan Sehari-hari
Banyak fenomena sehari-hari yang dapat menjelaskan konsep entropi:
- Mencairnya es: Es yang berbentuk padat memiliki susunan molekul yang teratur dan entropi yang rendah. Ketika mencair pada suhu ruangan, molekul air menjadi lebih tidak teratur, sehingga nilai entropinya meningkat.
- Pencampuran air dengan suhu berbeda: Ketika air bersuhu 20 derajat Celsius dicampur dengan air bersuhu 40 derajat Celsius, hasilnya adalah air dengan suhu sekitar 30 derajat Celsius. Entropi meningkat karena terjadi perpindahan panas dari air bersuhu tinggi ke air bersuhu rendah, menyebabkan peningkatan ketidakteraturan molekul secara keseluruhan.
- Air yang mendidih: Saat air dipanaskan, kalor yang ditambahkan meningkatkan energi kinetik molekul air, mempercepat gerakannya dan meningkatkan ketidakteraturan. Jika sumber panas dihilangkan, air akan mendingin dan molekulnya cenderung kembali ke energi potensial yang lebih rendah, melepaskan panas.
- Api unggun: Kayu padat yang terbakar menjadi abu, asap, dan gas. Proses ini menyebarkan energi lebih mudah dan menciptakan keadaan yang jauh lebih tidak teratur dibandingkan kayu padat, menunjukkan peningkatan entropi.
- Pelarutan gula atau garam dalam air: Kristal gula atau garam yang teratur saat dilarutkan akan menyebar dan berinteraksi dengan molekul air, menghasilkan sistem yang lebih tidak teratur dan entropi yang lebih tinggi.
- Ban yang kempes: Udara yang terkonsentrasi di dalam ban menyebar bebas ke atmosfer, bergerak dari keadaan yang lebih teratur ke kurang teratur, sehingga entropi meningkat.
Entropi dalam Konteks Ekonomi
Menariknya, konsep entropi juga dapat diterapkan dalam ilmu ekonomi. Fisikawan dan matematikawan Georgescu-Roegen berpendapat bahwa kegiatan ekonomi tidak terjadi dalam sistem tertutup. Kita menerima energi entropi rendah dari matahari secara gratis setiap hari. Namun, eksploitasi sumber daya seperti minyak bumi dan batu bara, yang menyimpan energi potensial dari matahari, dapat berdampak pada peningkatan entropi global.
Dalam pandangan ini, proses ekonomi melibatkan perubahan sumber daya entropi rendah menjadi kondisi entropi yang lebih tinggi, yang bersifat ireversibel atau tidak dapat dibalik. Konsep ini bertentangan dengan ide "revocability" (sesuatu bisa dibatalkan atau diubah) dalam proses ekonomi. Analogi dengan bunga dalam sistem keuangan modern menunjukkan bahwa, berbeda dengan sistem barter di mana nilai aset fisik dapat menurun seiring waktu (karena pembusukan atau biaya penyimpanan), nilai moneter dalam sistem bunga dapat tumbuh secara tak terbatas (bunga berbunga), yang secara konseptual "memberatkan" dan dapat dikaitkan dengan peningkatan entropi global. Hal ini bahkan dikaitkan dengan masalah fisik seperti peningkatan utang luar negeri negara berkembang dan kerusakan lingkungan yang parah, menunjukkan hubungan antara entropi dengan tingkat kemiskinan dan keberlanjutan.