Entropija in izmenjava toplote

Ko sta dve telesi v toplotnem stiku, pričakujemo, da bosta dosegli enako temperaturo. Edina zahteva prvega zakona je, da se energija ohranja, da torej toplota iz enega predmeta prehaja na drugega.




Spr. entrop. modri Spr. entrop. rdeči
   

 Izmenjana toplota

Animacija 1 kaže dve telesi enake velikosti, enake mase in z enako specifično toploto (oba mc = 2 enoti ), v začetku z različnima temperaturama, vendar v medsebojnem termičnem stiku (temperatura je podana v kelvinih, izmenjana toplota je v joulih). Barvna histograma kažeta izmenjano toploto med rdečim in modrim telesom. Ponovni zagon.

Ko sta dve telesi v toplotnem stiku, pričakujemo, da bosta dosegli enako temperaturo. Vendar prvi zakon termodinamike tega ne zahteva. Edina zahteva prvega zakona je, da se energija ohranja, da torej toplota iz enega predmeta prehaja na drugega.

Poskusi Animacijo 2. Se energija ohranja? Ali gre toplota iz enega telesa v drugega? Kaj lahko ugotovimo o izmenjavi toplote v primerjavi z animacijo 1? Kar vidimo v animaciji 2, se seveda ne zgodi kljub ohranitvi energije. Odločilen je drugi zakon termodinamike, ki pravi, da se entropija (v izoliranem sistemu) povečuje, ali ostaja ista. Sprememba v entropiji ΔS je dana z ΔS = ΔQ/T. To je res za reverzibilne procese pri konstantni temperaturi. Ker pa velja tudi Q = mcΔT, lahko izračunamo

ΔS = mc ln (Tk/Tz), kjer je Tk končna in Tz začetna temperatura v Kelvinih.

Pri tem je c specifična toplota snovi in m je masa snovi. Kakšna je sprememba v entropiji obeh posameznih teles v prvi animaciji? Kakšna je celotna sprememba entropije? Kaj pa v drugi animaciji? Opazimo, da je celotna sprememba entropije v Animaciji 1 pozitivna, v Animaciji 2 pa je manjša od nič. V skladu z drugim zakonom procesi sami po sebi ne znižujejo entropije (potrebujemo dodatek energije), zato se dogajanja v Animaciji 2 ne morejo zgoditi v izoliranem sistemu, saj bi kršili drugi zakon termodinamike.