در طول برقراری تعادل حرارتی، آنتروپی کل (S) سیستم تا رسیدن به حداکثر مقدار خود افزایش می یابد، در این مرحله سیستم وارد حالت تعادل حرارتی پایدار می شود. این فرآیند خود به خود و غیرقابل برگشت است و نیروی محرکه اصلی آن اصل افزایش آنتروپی{1}}تجلی مستقیم قانون دوم ترمودینامیک است.
شما می توانید آن را به این صورت درک کنید: وقتی دو جسم در دماهای مختلف با هم تماس پیدا می کنند، گرما از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین تر منتقل می شود. این فرآیند توزیع انرژی را یکنواختتر و سیستم را بینظمتر میکند و در نتیجه آنتروپی کل را افزایش میدهد. هنگامی که دماها برابر شدند، دیگر جریان گرمای خالص وجود ندارد، وضعیت ماکروسکوپی سیستم پایدار است و آنتروپی در این شرایط به حداکثر مقدار خود می رسد، یعنی آنتروپی دیگر تغییر نمی کند (ΔS=0).
نکات کلیدی تغییر آنتروپی در طول تعادل حرارتی:
در مرحله اولیه فرآیند: آنتروپی به سرعت افزایش می یابد. هرچه اختلاف دما بیشتر باشد و جریان گرما شدیدتر باشد، آنتروپی افزایش قابل توجهی دارد. برای مثال، پرتاب یک تکه فلز قرمز- داغ در آب سرد، فوراً مقدار زیادی بخار و اختلاط گرما تولید میکند که یک فرآیند افزایش آنتروپی خشونتآمیز است.
نزدیک شدن به تعادل: نرخ افزایش آنتروپی کند می شود
با کاهش اختلاف دما، سرعت انتقال حرارت کاهش مییابد و افزایش سطح آنتروپی کاهش مییابد و در نهایت به صفر نزدیک میشود.
رسیدن به تعادل: آنتروپی در حداکثر خود است و سیستم پایدار است
در این مرحله، سیستم در یک حالت ماکروسکوپی ایستا است، اما ذرات میکروسکوپی هنوز در حرکت هستند-این یک تعادل پویا است. اگرچه گرما دیگر جریان ندارد، آنتروپی به حد خود رسیده است و دیگر نمی تواند خود به خود افزایش یابد.
آنتروپی هرگز در سیستم های ایزوله کاهش نمی یابد
اگر کل سیستم تبادل انرژی با دنیای خارج نداشته باشد (مانند یک ظرف عایق بندی شده)، آنتروپی کل فقط افزایش می یابد و هرگز کاهش نمی یابد. به همین دلیل است که "قهوه داغ به طور خودکار گرم می شود" غیرممکن است- که به معنای کاهش آنتروپی است و قوانین طبیعت را نقض می کند.
یک تشبیه شهودی: افتادن جوهر در آب ساکن
تصور کنید یک قطره جوهر در آب ساکن می افتد:
لحظه اولیه: جوهر متمرکز است، سیستم مرتب شده است ← آنتروپی کم
فرآیند انتشار: جوهر به طور خود به خود پراکنده می شود و به طور فزاینده ای یکنواخت می شود → افزایش آنتروپی
حالت نهایی: کاملا مخلوط، رنگ یکنواخت → حداکثر آنتروپی، رسیدن به تعادل
این کاملاً با فرآیند تعادل حرارتی مطابقت دارد: اختلاف دما مانند اختلاف غلظت است، انتقال حرارت مانند انتشار مولکولی است که هر دو در نهایت منجر به حداکثر اختلال می شوند.
