热力学第二定律

根据热力学第一定律，系统中的能量变化与环境的能量变化 相等，并且相反。当把冰块放入一杯热茶中时，冰块可以看做一个系统，热茶是它的环境，冰会融化，而茶则变凉。冰块获得的热量 等于茶损失的热量。无论传热的方向如何，能量都是守恒的。然而，加入冰块永远不会让茶变热，因为传递的热量 并不能决定热量的流动方向。必须考虑熵的相关变化 来解释热传递 和其他自发反应的方向。热力学第二定律指出，体系的熵，即系统和环境的总熵，对于所有自发过程 都是增加的。这意味着，体系的熵变 即体系的最终状态和初始状态的熵差，必须大于零。由于熵是能量扩散的一种度量，当一个过程的体系能量 在最终状态比在初始状态更分散时，这个过程将会自发进行。冰块融化时，水分子 从有序的固态变为更无序的液态，系统的熵变为正；水冻结成冰时，系统的熵变 为负。但是，要让这些过程自发进行，体系的熵必须增加，所以这些过程是否自发进行的区别 一定存在于在环境中。水冻结时，热量释放到环境中，从而增加了环境的能量扩散。为了使体系熵变 为正，环境的熵变 必须为正，并且它的大小必须大于系统的熵变 纯水只有在温度低于 0℃才会自发冻结。这是因为在低温下传递 给环境的热量 比在高温下传递同样的热量 导致的熵变更大。环境熵变 的大小 与系统的热量传递成正比，与温度 T 成 反比。因此，对于在恒定温度和 压力下发生的任何过程，环境熵变 等于 传递到环境的热量 除以开尔文温度。