熱力学の第二法則

熱力学の第一法則によれば、システム内のエネルギー変化は、周囲のエネルギー変化と等しく、反対です。

熱いお茶にシステムである角氷を加えると、周囲は氷が溶け、お茶は冷たくなります。角氷が得る熱は、お茶から失われる熱と同じです。熱伝達の方向に関係なく、エネルギーが保存されます。

ただし、角氷を追加しても、伝達される熱の量によって熱がどちらの方向に流れるかが決まらないため、お茶が熱くなることはありません。

エントロピーの関連する変化は、熱伝達やその他の自発的な反応の方向を説明するために考慮する必要があります。

熱力学の第二法則は、システムと周囲の両方の総エントロピーである宇宙のエントロピーは、すべての自発的なプロセスで増加すると述べています。これは、宇宙の最終状態と初期状態のエントロピーの差である宇宙のΔSがゼロより大きくなければならないことを意味します。

エントロピーはエネルギー分散の尺度であるため、宇宙のエネルギーが初期状態よりも最終状態でより分散するプロセスは自発的になります。

角氷が溶けると、水分子は秩序立った固体から、システムのエントロピーが正の変化を伴ってより無秩序な液体状態に変化し、水が氷に凍ると、システムのΔSは負になる。

しかし、これらのプロセスが自発的であるためには、宇宙のエントロピーが増加しなければならないため、これらのプロセスが自発的であるかどうかの違いは周囲にある必要があります。

水が凍ると、周囲に熱が放出され、周囲のエネルギー分散が増加します。宇宙のΔSが正であるためには、周囲のΔSが正であり、システムのΔSよりも大きさが大きくなければなりません。

純水は、0°C未満の温度でのみ自然に凍結します。これは、低温で周囲に伝達される熱は、高温で伝達される同じ熱よりもエントロピーの変化が大きいためです。

周囲のΔSの大きさは、システムによって伝達される熱に正比例し、温度Tに反比例します。

したがって、一定の温度と圧力で発生する任意のプロセスについて、周囲のΔSは、周囲に伝達される熱をケルビン単位の温度で割ったものに等しくなります。