Entropia

Pierwszą zasadę termodynamiki formułuje się ilościowo za pomocą równania odnoszącego się do energii wewnętrznej układu, ciepła przez niego wymienianego i wykonanej nad nim pracy. Ilościowe sformułowanie drugiej zasady termodynamiki prowadzi do zdefiniowania funkcji stanu, czyli entropii.

Kiedy gaz doskonały rozszerza się izotermicznie, wzrasta nieuporządkowanie gazu. Z molekularnego punktu widzenia cząsteczki gazu mają większą objętość, w której mogą się poruszać.

Rozważmy nieskończenie mały krok w ekspansji, który jest odwracalnym procesem izotermicznym. Można wykazać, że procentowy wzrost objętości gazu doskonałego jest wprost proporcjonalny do ilości ciepła odbieranego przez niego z otoczenia i odwrotnie proporcjonalny do temperatury, w której się rozszerza. Ta obserwacja motywuje do ilościowej definicji zmiany entropii.

Nieskończenie mała zmiana entropii jest definiowana jako nieskończenie mała ilość przenoszonego ciepła podzielona przez temperaturę, w której jest ono przenoszone. Definicja obowiązuje tylko dla procesów odwracalnych. Entropia jest jednostką dżul na kelwin.

Po całkowaniu nieskończenie małej zmiany entropii uzyskuje się skończoną zmianę entropii dla procesu odwracalnego. Można dodać dowolną stałą, ponieważ ważna jest tylko zmiana entropii.

Na przykład entropia gazu doskonałego podlegającego odwracalnej, izotermicznej ekspansji wzrasta. Można wykazać, że podobnie jak energia wewnętrzna układu, która pojawia się w pierwszej zasadzie termodynamiki, tak i entropia jest funkcją stanu. Drugą zasadę termodynamiki można ponownie przedstawić za pomocą ilościowej definicji nieporządku poprzez entropię.