(解答例)
混合後の温度を$T_m$とおくと,混合の前後で熱量が保存されるとして,
\[
(m_1 + m_2)c \ T_m = m_1 c \ T_1 + m_2 c \ T_2 \\
\begin{align}
T_m
&= \frac{m_1 T_1 + m_2 T_2}{m_1 + m_2} \\
&=\frac{2 \times 20 + 1 \times 80}{2+1} \\
&= 40^\circ C \\
\therefore
&= 313 \ \rm{K}
\end{align}
\]
エントロピの変化は,$20\rm{^\circ C} \ (=293\,\rm{K})$の水と,$80\rm{^\circ C} \ (=353\,\rm{K})$の水のそれぞれエントロピ変化の総和で求まるので,
\[
\begin{align}
\Delta S
&=c \left ( m_1 \ln \frac{T_m}{T_1} + m_2\ln \frac{T_m}{T_2} \right) \\
&= 4.19 \times \left( 2 \times \ln \frac{313}{293} + 1 \times \ln \frac{313}{353} \right) \\
&= 0.0494 \ \rm{kJ/K} \\
&= 49.4 \ \rm{J/K}
\end{align}
\]
(解説)
エントロピの定義により,
\[
dS= \frac{dQ}{T}
\]
熱力学第1法則より,$dQ= dU+ dW = mcdT =pdV$だから,
\[
dS= \frac{mcdT+pdV}{T}
\]
固体や液体の状態変化では通常,体積変化が小さいため,仕事量$dW=pdW$が内部エネルギの変化$dU=mcdT$に比べて小さくなり無視できる.
したがって,
\[
\Delta S =S_2 - S_1 = \int_1^2 dS=m \int_2^1 c \frac{dT}{T}
\]
固体や液体では通常,比熱$C$は一定と考えて差し支えないので,
\[
\Delta S = mc \int_1^2 \frac{dT}{T} = mc \ln \frac{T_2}{T_1}
\ \ \ \ \ \ \ \
\]
以上,固体および液体のエントロピ変化$\Delta S$を導出した.