水に一滴のインクを垂らすと、均一に広がるまで拡散し、自然に再び濃縮されることはありません。これがエントロピー、つまり系の無秩序さやランダム性を表す尺度です。熱力学第二法則によれば、孤立系の全エントロピーは常に時間とともに増加します。エネルギーは拡散し、秩序は無秩序へと変化します。宇宙は平衡状態へと向かって動いているのです。

エントロピーは熱力学的状態関数であり、通常はSで表されます。単位はジュール/ケルビンです。エントロピーの変化ΔSは、無秩序が増加すると正の値になります。氷が溶けるとエントロピーが増加します。これは、液体の水が固体の氷よりも無秩序であるためです。塩を溶かすとエントロピーが増加します。これは、イオンがより分散するためです。消費するガス分子よりも多くのガス分子を生成する化学反応は、通常エントロピーを増加させます。

エントロピーは単なる無秩序さを表すものではありません。それは、システムがエネルギーを配置できる方法の数を表します。アクセス可能なミクロ状態が多いシステムほど、エントロピーは高くなります。ボルツマン方程式 S = k ln W は、エントロピーとミクロ状態の数 W の関係を示しています。絶対零度における完全に秩序だった結晶は、ミクロ状態が 1 つしかないため、エントロピーはゼロになります。これが熱力学の第三法則です。

エントロピーは自発的な変化の方向を決定します。ギブズ自由エネルギーの変化ΔG = ΔH - TΔSが負であれば、反応は自発的です。エンタルピーが正であっても、エントロピーの増加が十分に大きければ、自発的に起こる可能性があります。エントロピーは、一部の吸熱反応が起こる理由です。