물에 잉크 한 방울을 떨어뜨리면 잉크는 고르게 퍼집니다. 저절로 다시 뭉쳐지지는 않습니다. 이것이 바로 엔트로피, 즉 시스템의 무질서 또는 무작위성을 나타내는 척도입니다. 열역학 제2법칙은 고립계의 총 엔트로피는 시간이 지남에 따라 항상 증가한다고 말합니다. 에너지는 분산되고, 질서는 무질서로 바뀝니다. 우주는 평형 상태를 향해 나아갑니다.

엔트로피는 열역학적 상태 함수로, 보통 S로 표기합니다. 단위는 줄/켈빈(J/K)입니다. 엔트로피 변화량(ΔS)은 무질서도가 증가할 때 양의 값을 가집니다. 얼음이 녹으면 액체 상태의 물이 고체 상태의 얼음보다 무질서도가 크기 때문에 엔트로피가 증가합니다. 소금이 녹으면 이온들이 더 넓게 퍼져 있기 때문에 엔트로피가 증가합니다. 화학 반응에서 소모되는 기체 분자보다 생성되는 기체 분자가 더 많으면 일반적으로 엔트로피가 증가합니다.

엔트로피는 단순히 무질서만을 의미하는 것이 아닙니다. 시스템이 에너지를 배열할 수 있는 방법의 수를 나타냅니다. 접근 가능한 미시상태가 많을수록 시스템의 엔트로피는 높아집니다. 볼츠만 방정식 S = k ln W는 엔트로피와 미시상태의 수 W 사이의 관계를 나타냅니다. 절대 영도에서 완벽하게 정렬된 결정은 미시상태가 하나뿐이므로 엔트로피는 0입니다. 이것이 열역학 제3법칙입니다.

엔트로피는 자발적인 변화의 방향을 결정합니다. 반응은 깁스 자유 에너지 변화(ΔG = ΔH - TΔS)가 음수이면 자발적입니다. 엔탈피가 양수인 반응이라도 엔트로피 증가량이 충분히 크다면 자발적으로 일어날 수 있습니다. 엔트로피는 일부 흡열 반응이 일어나는 이유입니다.