Spontaani prosessi
Spontaani prosessi on ajallinen kehitys järjestelmää, jossa se menettää vapaa entalpia (usein muodossa lämpö ) ja saavuttaa termodynaamisesti stabiilissa tilassa matkustaessaan polku sen pinnalle potentiaalienergian . Vapaiden energiamuutosten merkkikokemus noudattaa termodynaamisten mittausten yleistä käytäntöä, jossa vapaan energian vapautuminen järjestelmästä vastaa negatiivista muutosta järjestelmän vapaassa energiassa, mutta positiivista muutosta sen ympäristössä.
Spontaani prosessi tapahtuu yhteen suuntaan (joka voidaan rajoittaa järjestelmässä) ilman ulkoista energian syöttöä. Tätä termiä käytetään viittaamaan makroskooppisiin prosesseihin, joissa entropia lisääntyy, kuten savun diffuusio huoneeseen, jään sulaminen haaleassa vedessä tai raudan hapettuminen . Termodynamiikan lait hallitsevat spontaania prosessia aiheuttaen riittävän suuren määrän yksittäisten vuorovaikutusten (kuten atomi-törmäysten) johtavan kasvavan entropian suuntaan (entropia on tilastollinen määrä ).
Gibbsin vapaa energia
Prosessin spontaanisuus voidaan määrittää tutkimalla siihen liittyvää vapaata energiafunktiota G tai tarkemmin sanottuna sen evoluutiota kahden tilan välillä. Tämä toiminto ilmaistaan järjestelmälle seuraavasti:
missä U on järjestelmän sisäinen energia tietyssä termodynaamisessa tilassa (tasapainossa), P sen paine , V sen tilavuus , T sen lämpötila ja S entropia . Jos käsitellään järjestelmän evoluutiota kahden tilan A ja B välillä tasapainossa vakiolämpötilassa ja -paineessa, suhde kirjoitetaan erilaistamalla (A otetaan lähtötilaksi, B-kohdetilaksi):
Merkki Δ G y riippuu erot entalpia (Δ H , H = U + PV) ja entropia (Δ S ), samoin kuin on absoluuttinen lämpötila . G: n merkki muuttuu, kun T = ΔH / ΔS. Siten, lukuun ottamatta mitä tahansa kineettistä näkökohtaa :
- jos Δ G <0, prosessi johtaa järjestelmän tilaan B.
- jos Δ G > 0, prosessi suosii tilaa A.
- jos Δ G = 0, järjestelmä on tasapainossa.
Merkkejä sisäisen ehdot, Δ S ja Δ H , voi osoittaa yhteydessä, jossa menetelmässä voi tai ei voi esiintyä. Jos nämä termit ovat vastakkaisia merkkejä, T: n vaihtelu ei muuta prosessin suuntaa. Siinä tapauksessa, että nämä merkit ovat molemmat positiivisia, prosessi on spontaani A: sta B: hen korkeassa lämpötilassa, jossa eksotermisuudella ei ole merkitystä. Jos molemmat ovat negatiivisia, prosessi on spontaani A: sta B: hen matalassa lämpötilassa, jossa eksotermisuus on korkea.
Spontaani prosessi ja termodynamiikan toinen periaate
Termodynamiikan toisen periaatteen mukaan minkä tahansa spontaanin prosessin osalta järjestelmän entropian kokonaismuutoksen, A S , on oltava positiivinen tai nolla. Tämä näyttää olevan ristiriidassa sen tosiasian kanssa, että tietyt prosessit johtavat entropian vähenemiseen. Todellisuudessa nämä prosessit eivät poikkea tästä periaatteesta, koska niiden on tuotettava melko suuri negatiivinen entalpian vaihtelu (usein lämmön muodossa), joka häiritsee tutkitun järjestelmän (itse asiassa alijärjestelmän ) läheisyyttä entroopian lisääntyessä. riittävä, jotta järjestelmän entropian kokonaismuutos olisi positiivinen. Esimerkiksi kun kyseessä on lämmön vapautuminen (eksoterminen kemiallinen reaktio, jne.), The Δ S naapuruston on melko suuri, koska eksotermisyys prosessin yli-kompensoi varten negatiivinen Δ S on (ali) järjestelmä, ja siksi jos katsomme, että ΔS = ΔS- naapuruus + ΔS- järjestelmä on positiivinen.
Toinen tapa sanoa on, että toisessa periaatteessa sanotaan, että suljetun järjestelmän entropian täytyy kasvaa (tai pysyä vakiona). Negatiivinen entalpia osoittaa, että energiaa vapautuu naapurustossa, mikä tarkoittaa, että suljettu järjestelmä sisältää myös tämän naapuruston. Tämä tarkoittaa sanomista, kuten edellä, että S = A S- naapuruus + A S- järjestelmä on positiivinen, sopusoinnussa toisen termodynamiikan periaatteen kanssa.
Kineettinen
Se, että prosessi voidaan luokitella spontaaniksi, ei tarkoita, että prosessi tapahtuu suurella nopeudella. Esimerkki hajoamisen reaktion timantti ja grafiitti . Vaikka tätä reaktiota suositaan termodynaamisesti ja se muodostaa siksi spontaanin prosessin, reaktiokinetiikka on erittäin hidasta ja jälkimmäinen vie siis muutaman miljoonan vuoden. Reaktionopeus on riippumaton sen spontaanuudesta ja riippuu olennaisesti reaktion kemiallisesta kinetiikasta . Kemiallisissa reaktioissa kukin reagenssi pyrkii muodostamaan vastaavan tuotteen. Tämä taipumus liittyy termodynaamiseen vakauteen. Tämä stabiilisuus lisääntyy aineelle, jos aine on vähimmäisenergiatilassa tai satunnaisimmassa tilassaan. Vain yhtä näistä mahdollisuuksista voidaan käyttää kerrallaan. Veden jähmettyminen jääksi on siis spontaani prosessi, koska jää on vakaampi, koska se on vähemmän energiaa. Jään nesteytys on kuitenkin myös spontaania, koska nestemäinen vesi on satunnaisempaa (vähemmän strukturoitua) kuin kiinteä tila.
Huomautuksia ja viitteitä
- (in) " spontaani prosessi (Purduen yliopisto) " .
- (in) " spontaani prosessi (University of Newcastle upon Tyne) " .
- Tässä tarkastellaan yhtä veden kiinteistä tiloista.
Katso myös
- endergoninen reaktio : ei-spontaani reaktio normaaleissa pitoisuus-, lämpötila- ja paineolosuhteissa.
- aineen diffuusio : spontaani prosessi.
- (fr) Tämä artikkeli on osittain tai kokonaan otettu Wikipedian englanninkielisestä artikkelista " Spontaani prosessi " ( katso luettelo kirjoittajista ) .