Entropie

Das erste Gesetz der Thermodynamik wird quantitativ formuliert durch eine Gleichung, die die innere Energie eines Systems, die Wärme, die von ihm ausgetauscht wird, und die an ihm verrichtete Arbeit in Beziehung setzt. Eine quantitative Formulierung des zweiten Gesetzes der Thermodynamik führt zur Definition einer Zustandsfunktion, der Entropie.

Wenn ein ideales Gas isotherm expandiert, nimmt die Unordnung im Gas zu. Aus molekularer Sicht haben die Gasmoleküle mehr Raum, um sich darin zu bewegen.

Betrachten Sie einen infinitesimalen Schritt in der Expansion, der ein reversibler, isothermer Prozess ist. Es kann gezeigt werden, dass die prozentuale Zunahme des Volumens des idealen Gases direkt proportional zur Menge an Wärme ist, die es von seiner Umgebung erhält, und umgekehrt proportional zur Temperatur, bei der es expandiert. Diese Beobachtung motiviert die quantitative Definition der Änderung der Entropie.

Die infinitesimale Änderung der Entropie wird definiert durch die infinitesimale übertragene Wärme geteilt durch die Temperatur, bei der sie übertragen wird. Die Definition ist nur für reversible Prozesse gültig. Die Entropie hat die Einheit Joule pro Kelvin.

Wenn die infinitesimale Änderung der Entropie integriert wird, erhält man eine endliche Änderung der Entropie für einen reversiblen Prozess. Es kann eine beliebige Konstante hinzugefügt werden, da nur die Änderung der Entropie wichtig ist.

Beispielsweise nimmt die Entropie eines idealen Gases bei einer reversiblen, isothermen Expansion zu. Es kann gezeigt werden, dass wie die innere Energie eines Systems, die im ersten Gesetz der Thermodynamik erscheint, auch die Entropie eine Zustandsfunktion ist. Das zweite Gesetz der Thermodynamik kann mithilfe der quantitativen Definition der Unordnung über die Entropie neu formuliert werden.