Κατά την εγκαθίδρυση της θερμικής ισορροπίας, η συνολική εντροπία (S) του συστήματος αυξάνεται μέχρι να φτάσει στη μέγιστη τιμή της, οπότε το σύστημα εισέρχεται σε μια σταθερή κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Αυτή η διαδικασία είναι αυθόρμητη και μη αναστρέψιμη και η βασική της κινητήρια δύναμη είναι η αρχή της αύξησης της εντροπίας-μια άμεση εκδήλωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.
Μπορείτε να το καταλάβετε ως εξής: Όταν δύο αντικείμενα σε διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε επαφή, η θερμότητα ρέει από το αντικείμενο υψηλότερης- θερμοκρασίας στο αντικείμενο χαμηλότερης- θερμοκρασίας. Αυτή η διαδικασία κάνει την κατανομή της ενέργειας πιο ομοιόμορφη και το σύστημα πιο άτακτο, αυξάνοντας έτσι τη συνολική εντροπία. Όταν οι θερμοκρασίες εξισωθούν, δεν υπάρχει πλέον καθαρή ροή θερμότητας, η μακροσκοπική κατάσταση του συστήματος είναι σταθερή και η εντροπία φτάνει στη μέγιστη τιμή της υπό αυτήν την προϋπόθεση, δηλαδή η εντροπία δεν αλλάζει πλέον (ΔS=0).
Βασικά σημεία μεταβολής της εντροπίας κατά τη διάρκεια της θερμικής ισορροπίας:
Στο αρχικό στάδιο της διαδικασίας: Η εντροπία αυξάνεται γρήγορα. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας και όσο πιο έντονη είναι η ροή θερμότητας, τόσο πιο σημαντική είναι η αύξηση της εντροπίας. Για παράδειγμα, η ρίψη ενός κομματιού κόκκινου-καυτού μετάλλου σε κρύο νερό παράγει αμέσως μια μεγάλη ποσότητα ατμού και ανάμειξης θερμότητας, η οποία είναι μια βίαιη διαδικασία αύξησης της εντροπίας.
Προσέγγιση της Ισορροπίας: Ο ρυθμός αύξησης της εντροπίας επιβραδύνεται
Καθώς η διαφορά θερμοκρασίας μειώνεται, ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας μειώνεται και η αύξηση των επιπέδων εντροπίας σταματά, πλησιάζοντας τελικά το μηδέν.
Επίτευξη της ισορροπίας: Η εντροπία είναι στο μέγιστο και το σύστημα είναι σταθερό
Σε αυτό το σημείο, το σύστημα βρίσκεται σε μια μακροσκοπικά στατική κατάσταση, αλλά τα μικροσκοπικά σωματίδια εξακολουθούν να κινούνται-αυτή είναι μια δυναμική ισορροπία. Αν και η θερμότητα δεν ρέει πλέον, η εντροπία έχει φτάσει στο όριό της και δεν μπορεί πλέον να αυξάνεται αυθόρμητα.
Η εντροπία δεν μειώνεται ποτέ σε απομονωμένα συστήματα
Εάν ολόκληρο το σύστημα δεν έχει ανταλλαγή ενέργειας με τον έξω κόσμο (όπως σε ένα σφραγισμένο μονωμένο δοχείο), η συνολική εντροπία θα αυξηθεί και δεν θα μειωθεί ποτέ. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το "ζεστός καφές να ζεσταίνεται αυτόματα" είναι αδύνατον-που θα σήμαινε μείωση της εντροπίας, παραβιάζοντας τους νόμους της φύσης.
Μια διαισθητική αναλογία: Μελάνι που πέφτει σε ακίνητο νερό
Φανταστείτε μια σταγόνα μελανιού να πέφτει σε ακίνητο νερό:
Αρχική στιγμή: Το μελάνι είναι συμπυκνωμένο, το σύστημα έχει παραγγελθεί → Χαμηλή εντροπία
Διαδικασία διάχυσης: Το μελάνι διασκορπίζεται αυθόρμητα, γίνεται όλο και πιο ομοιόμορφο → Αυξημένη εντροπία
Τελική κατάσταση: Εντελώς αναμεμειγμένο, ομοιόμορφο χρώμα → Μέγιστη εντροπία, φθάνοντας σε ισορροπία
Αυτό αντιστοιχεί απόλυτα στη διαδικασία θερμικής ισορροπίας: η διαφορά θερμοκρασίας είναι σαν τη διαφορά συγκέντρωσης, η μεταφορά θερμότητας είναι σαν τη μοριακή διάχυση, και τα δύο οδηγούν τελικά σε μέγιστη διαταραχή.
