Nhiệt học

Định luật II nhiệt động lực học

Định luật II xác định chiều của các quá trình tự nhiên: entropy toàn phần không giảm trong hệ cô lập, dù năng lượng vẫn được bảo toàn.

Định luật I cho biết cân bằng năng lượng nhưng không cho biết quá trình nào tự xảy ra. Định luật II bổ sung chiều thời gian: nhiệt tự truyền từ nóng sang lạnh; chiều ngược cần tác động ngoài.

Entropy của hệ và môi trường

Entropy của riêng hệ có thể giảm nếu hệ thải nhiệt; định luật II áp dụng cho hệ cộng môi trường. Quá trình thuận nghịch giữ entropy toàn phần không đổi; quá trình không thuận nghịch tạo entropy dương.

Trắc nghiệm nhanh

Một cách hữu ích để thấy vai trò của entropy là xét hai vật ở nhiệt độ khác nhau trao đổi một lượng nhiệt nhỏ $delta Q$. Vật nóng mất nhiệt có biến thiên entropy xấp xỉ $-delta Q/T_h$, còn vật lạnh nhận nhiệt có $+delta Q/T_c$. Vì $T_c<T_h$, tổng hai biến thiên dương: truyền nhiệt tự phát làm tăng entropy của hệ cô lập gồm cả hai vật. Nếu muốn chuyển nhiệt ngược chiều, máy lạnh phải nhận công từ bên ngoài; không có sự vi phạm bảo toàn năng lượng, nhưng môi trường cũng đổi entropy. Với quá trình thuận nghịch, entropy toàn phần không đổi; mọi quá trình thực có ma sát, khuếch tán hoặc truyền nhiệt qua chênh lệch nhiệt độ hữu hạn tạo entropy. Do đó định luật II không nói năng lượng mất đi mà giải thích vì sao không thể biến toàn bộ nhiệt lấy từ một nguồn thành công trong chu trình.

Một hệ có thể giảm entropy nếu nó thải nhiệt hoặc được làm lạnh, miễn là môi trường tăng entropy nhiều hơn. Khi hai nguồn ở cùng nhiệt độ trao đổi nhiệt thuận nghịch, tổng entropy không đổi; khi chênh lệch nhiệt độ hữu hạn, tổng entropy tăng. Cần xét cả hệ và môi trường để kiểm tra chiều tự diễn biến.