In de natuur blijkt er een groot verschil te zijn tussen processen die wel en die niet omkeerbaar zijn. Volledige omkeerbare processen komen weinig voor: een biljartbal die botst lijkt erg op een omkeerbaar, reversibel proces. Als je een filmpje van botsende biljartballen terugdraait merk je weinig verschil met het normale filmpje. Draai je echter een filmpje terug van een vallend en uit elkaar spattend kopje dan worden de kijkers lacherig, omdat je in het echt nooit ziet dat de brokstukken van het kopje weer bij elkaar komen, omhoog gaan en een compleet kopje vormen. Zo’n onomkeerbaar proces wordt irreversibel genoemd.
Door naar de entropie te kijken kun je bepalen of een proces irreversibel is en spontaan plaats kan vinden. Bij een irreversibel, spontaan proces is er sprake van een toename van de entropie: irreversibele processen genereren entropie. Bij een reversibel, omkeerbaar proces blijft de entropie gelijk.
Voor een reversibele stoommachine geldt dus
oftewel
en dat kunnen we ook schrijven als
(2).
We hebben al gezien dat voor het rendement van de stoommachine geldt
. (1)
Wanneer we formules (1) en (2) combineren, ontstaat er
. (3)
Bij de stoommachine is de hoge temperatuur en de lage. Dit betekent dat altijd kleiner is dan 1. Met behulp van formule (3) zien we dat het rendement η altijd positief en kleiner dan 1 is. Om het rendement te verbeteren door hoger te maken. is in feite de omgevingstemperatuur en daar is weinig aan te veranderen.
Conclusie: zelfs als je een stoommachine zou kunnen maken waarbij er geen wrijving is, de machine geen geluid maakt, kortom waar alle “gewone” energieverliezen niet bestaan dan nog is het rendement geen 100 % maar gelijk aan (1 – ) * 100%. Dit rendement zul je in de praktijk dus nooit halen, het geldt alleen voor de reversibele dus de ideale, niet bestaande stoommachine.
Uit formule (3) blijkt ook dat als 0 K is, het rendement 1 is, dus 100%. Alle toegevoerde energie wordt gebruikt om arbeid te “leveren”, de bewegingsenergie van de atomen of moleculen in het vat met lage temperatuur is 0 geworden.
Entropie gaat nooit verloren, maar kan tijdens een proces toenemen of gelijk blijven. We formuleren de tweede hoofdwet van de thermodynamica:
Een koelkast blijkt opgevat te kunnen worden als een omgekeerde stoommachine.
