T04 De tweede hoofdwet van de thermodynamica

Warme gassen in een schouw verspreiden zich in de omgeving en vermengen zich met de omringende gassen.
Hierbij koelen de warme gassen uit de schouw af terwijl de gassen uit de omgeving opgewarmd worden: er treedt spontaan verspreiding van warmte op.
Het omgekeerde proces, nl. spontane afscheiding van warme gassen uit de omgeving in de schouw, is onmogelijk.

De tweede hoofdwet beschrijft in welke richting een proces of gebeurtenis verloopt. We voelen intuïtief aan dat warmte van warm naar koud stroomt.
Mathematisch wordt dit omschreven door de begrippen entropie en entropieverandering.
Entropie (S) is een functie die een toestand beschrijft. Entropieverandering (DS) beschrijft dus de overgang van de ene toestand naar de andere.

De entropieverandering bij een proces wordt gedefinieerd als de uitgewisselde warmte (DQ) gedeeld door de absolute temperatuur (T) :

In een geïsoleerd systeem is de entropieverandering DS = 0.
Vermits de beide veranderingen in warmtehoeveelheid volgens de eerste hoofdwet gelijk zijn, en de absolute temperatuur van het warm gas hoger is dan die van het koud gas, blijkt uit bovenstaande vergelijking dat S positief is als het warm gas warmte afgeeft (warmteverandering negatief). DS=0 als beide temperaturen gelijk zijn, dus als het systeem in evenwicht is.

Dit wil niet zeggen dat er geen processen zijn waarbij de entropie lager wordt, maar deze processen hebben een gedwongen karakter.
Deze processen kunnen alleen optreden als aan het beschouwde systeem energie van buitenuit kan worden toegevoegd, m.a.w. als het systeem niet meer geïsoleerd is.

Tip:
Illustratie van de tweede hoofdwet via het mengen van warm en koud water in bad.
Wanneer aan een bad, gedeeltelijk gevuld met koud water, warm water wordt toegevoegd, vermengt het warme water zich spontaan met het omringende koude water. Hierbij wordt het warme water afgekoeld en het omringende koude water opgewarmd tot de gewenste temperatuur is bereikt. Het omgekeerde proces waarbij water met de gewenste temperatuur zich scheidt in een koude en een warme waterplas, is onmogelijk.