Entropia come qualità

Nell'immagine qui accanto, vediamo una macchina termica assorbire una quantità di calore QC ad una sorgente a temperatura TC; convertire QC in parte in lavoro L e in parte in calore QF ceduto ad una sorgente fredda TF.

Il caso dell'espansione libera.

Consideriamo di nuovo il nostro modellino cinetico, in un contenitore diviso in due parti, collegate tramite un tubicino chiuso da un rubinetto.

Inizialmente, le particelle del gas sono tutte contenute nella camera di sinistra.  In questa situazione, per ricavare energia dal sistema, sarebbe sufficiente mettere un'elica nel tubicino e aprire il rubinetto: il vento dovuto alla differenza di pressione tra le due camere metterà in moto l'elica che mi fornirà energia.  Possiamo dire che la qualità dell'energia interna all'inizio è relativamente buona.

Quando il gas si è distribuito equamente tra le due camere, il vento cessa e non possiamo più ottenere lavoro tramite la nostra elica.  Possiamo dire che la qualità dell'energia interna è pessima.

Paragonando l'energia interna dello stato iniziale e dello stato finale, ci accorgiamo che è la stessa:  dal punto di vista termodinamico, sappiamo che l'espansione libera del gas perfetto non cambia l'energia interna;  dal punto di vista microscopico, l'energia cinetica di ogni singola particella non cambia mai perché l'unica interazione che le particelle hanno è di tipo elastico, con le pareti del contenitore.