Entropia - procesy odwracalne i niedwracalne

Procesy termodynamiczne możemy podzielić na odwracalne i nieodwracalne.

Procesy odwracalne to takie, które spełniają poniższe warunki:
1. Proces równie łatwo może być przeprowadzony w dwóch odwrotnych kierunkach;
2. W obydwu układ i otoczenie przechodzą przez takie same stany pośrednie (w przypadku procesu odwrotnego w odwrotnej kolejności);
3. Po przeprowadzeniu procesu w jednym i drugim kierunku układ i otoczenie wracają do stanu wyjściowego.

Przykładami procesów odwracalnych są wszystkie przemiany quasi- statyczne. Procesy quasi- statyczne są idealizacją, przybliżeniem tego, co rzeczywiście zachodzi. Procesów odwracalnych, ściśle rzecz biorąc, nie ma- są to przybliżenia. Te przemiany, które nie spełniają któregokolwiek z powyższych warunków noszą nazwę nieodwracalne.

Przykłady szczególnie jaskrawych procesów nieodwracalnych (podano też, jak wyglądałby proces odwrotny do danego).
- Bomba burzy dom. Z gruzów po wybuchu bomby sam dom się odbudowuje.
- Szklanka spada ze stołu i rozbija się. Odłamki szkła z powrotem tworzą szklankę, która wznosi się do góry i ustawia z powrotem na krawędzi stołu.

Entropia z reguły oznaczamy ją S. Jest to miara niezdolności energii układów do wykonania pracy. W układzie zamkniętym wzrostowi entropii towarzyszy zmniejszenie zdolności do wykonania pracy. Kiedy układ podlega przemianie odwracalnej, estropia S zmienia się o ilość równą energii ΔQ dostarczonej układowi na sposób ciepła, podzielonej przez temperaturę termodynamiczną T, w której zachodzi przemiana, tzn. ΔS= ΔQ/T. Wszystkie rzeczywiste procesy są jednakże w pewnej mierze procesami nieodwracalnymi, a w dowolnym układzie zamkniętym przemianie nieodwracalnej zawsze towarzyszy wzrost entropii.

W szerszym sensie entropie można interpretować jako miarę nieporządku. Im większa entropia tym większy nieporządek. Ponieważ każda rzeczywista przemiana układu zamkniętego powoduje zwiększenie entropii, a zatem zwiększenie nieporządku.

W procesach zachodzących w układach izolowanych adiabatycznie od otoczenia zmiana entropii jest większa większa od zera lub równa zeru ΔS>=0.

Znak równości dotyczy procesów odwracalnych, znak nierówności nieodwracalnych. Inaczej mówiąc: Entropia układów izolowanych adiabatycznie od otoczenia nigdy nie maleje. Stwierdzenie to stanowi ogólne sformułownie drugiej zasady termodynamiki, wyrażone za pomocą pojęcia entropii. Sformułowanie to określa kierunkowość wszystkich procesów w przyrodzie: procesy rzeczywiste (a więc nieodwracalne) w układach izolowanych adiabatycznie od otoczenia zachodzą w takim kierunku, że entropia tych układów wzrasta, wzrasta więc także nieuporządkowanie układów, w których mają miejsce te procesy.

Najczęściej interesuje nas zmiana entropii przy przechodzeniu układu z jednego stanu do drugiego. Zmiana entropii przy przejściu od stanu pierwszego do stanu drugiego wynosi:
ΔS=S1-S2=klnP2-klnP1
ΔS=kln(P2/P1); gdzie k- stała Boltzmanna, (P2/P1)- względne prawdopodobieństwo dwóch stanów

W układach izolowanych adiabatycznie procesy przebiegają od stanów mniej prawdopodobnych do stanów bardziej prawdopodobnych (procesy nieodwracalne) lub przynajmniej tak samo prawdopodobnych (procesy odwracalne).

Entropia jest zatem ilościową miarą stopnia cząsteczkowego chaosu w układzie. Jeśli Temperatura ciała dąży do zera bezwzględnego, to entropia ciała dąży do zera: lim S=0