熵

熵 (Entropy)
臺中國立新港藝術高級中學物理科羅伊君老師/國立彰化師範大學吳仲卿教授責任編輯

「熵」(entropy) 的概念是由德國物理學家克勞修斯於 1865 年所提出。

我們先從單向過程定義「熵 (entropy)」，所謂單向過程即為不可逆過程，例如理想氣體的自由膨脹：假設氣體經由閥門被限制在某側的絕熱容器中而達到初平衡狀態 $$i$$，接著打開閥門，氣體會快速擴散而充滿整個容器而達到末平衡狀態 $$f$$，此即為不可逆過程，因為氣體分子不會自動回到容器的某側。

我們定義一個狀態特性—熵，在初狀態及末狀態的過程中，熵的變化 $$\displaystyle \Delta S=\int^f_i\frac{dQ}{T}$$，

但是當氣體擴散到整個容器的過程中，壓力和體積的變動是無法得知的，但由於熵為狀態特性，因此熵的變化量只與前後狀態有關，因此我們可以用連接狀態i和狀態f的可逆過程（如等溫膨脹過程）來取代自由膨脹中熵的變化，由於在等溫膨脹的過程中氣體必須吸熱，因此熵的變化為增加了，也就是說，在一個封閉系統中發生不可逆過程時，系統的熵一定會增加。

若將此可逆過程從一個平衡狀態 $$i$$ 變化到另一個平衡狀態 $$f$$，再經過可逆過程將系統回到原狀態 $$i$$，結果則是系統的熵變化為零。因此熱力學第二定律的形式為：一個封閉系統的熵不會自動減少。在真實系統中，幾乎所有的過程都是不可逆的，所以系統的熵會增加，至於在理想的系統中，熵才會保持定值。

參考資料

1. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, 普通物理，第八版，2009年2月
2.http://en.wikipedia.org/wiki