Seconda Legge della Termodinamica

Secondo la prima legge della termodinamica, il cambiamento di energia in un sistema è uguale e contrario al cambiamento di energia dell'ambiente circostante. Quando un cubetto di ghiaccio, viene aggiunto ad una tazza di tè caldo, il ghiaccio si scioglie, mentre il tè si raffredda. Il calore guadagnato dal cubetto di ghiaccio è uguale al calore perso dal tè.

L'energia è conservata indipendentemente dalla direzione del trasferimento di calore. Tuttavia, aggiungere un cubetto di ghiaccio non renderebbe mai il tè più caldo, perché la quantità di calore trasferita non determina in che direzione fluisce il calore. Il cambiamento associato nell'entropia deve essere considerato per spiegare la direzione del trasferimento di calore e altre reazioni spontanee.

La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia dell'universo, che è l'entropia totale, sia del sistema che dell'ambiente circostante, aumenta per tutti i processi spontanei. Ciò significa che il ΔS dell'universo, la differenza fra l'entropia degli stati iniziale e finale dell'universo, deve essere maggiore di zero. Poiché l'entropia è una misura della dispersione di energia, un processo in cui l'energia dell'universo è più dispersa nello stato finale rispetto a quello iniziale, sarà spontaneo.

Quando un cubetto di ghiaccio si scioglie, le molecole d'acqua cambiano da uno stato solido ordinato ad uno stato liquido più disordinato, con un cambiamento positivo nell'entropia del sistema;quando l'acqua si congela in ghiaccio, il ΔS del sistema è negativo. Tuttavia, affinché questi processi siano spontanei, l'entropia dell'universo deve aumentare, dunque, cio'che rende questi processi spontanei, deve trovarsi nell'ambiente circostante. Quando l'acqua congela, rilascia calore all'ambiente circostante, aumentando la dispersione energetica dell'ambiente circostante.

Il ΔS dell'ambiente circostante deve essere positivo e di grandezza maggiore del ΔS del sistema affinché il ΔS dell'universo sia positivo. L'acqua pura si congela spontaneamente solo a temperature inferiori a 0°C. Questo avviene perché il calore trasferito all'ambiente a basse temperature risulterà in una maggiore variazione di entropia, rispetto allo stesso calore trasferito a temperature più elevate.

L'ampiezza del ΔS dell'ambiente circostante, è direttamente proporzionale al calore trasferito dal sistema e inversamente proporzionale alla temperatura T.Pertanto, per qualsiasi processo che si verifica a temperatura e pressione costanti, il ΔS dell'ambiente circostante è uguale al calore trasferito all'ambiente, diviso per la temperatura in Kelvin.