Спонтанный процесс

В термодинамике , А спонтанный процесс является время эволюции системы , в которой он освобождает свободную энергию и он двигается к более низкому, более термодинамический стабильному состоянию энергии (ближе к термодинамическому равновесию ). ^{[1] [2]} Знаковое соглашение для изменения свободной энергии следует за общим соглашением для термодинамических измерений, в котором высвобождение свободной энергии из системы соответствует отрицательному изменению свободной энергии системы и положительному изменению свободной энергии. энергия окружающей среды .

В зависимости от характера процесса свободная энергия определяется по-разному. Например, изменение свободной энергии Гиббса используется при рассмотрении процессов, которые происходят в условиях постоянного давления и температуры , тогда как изменение свободной энергии Гельмгольца используется при рассмотрении процессов, которые происходят в условиях постоянного объема и температуры. Величина и даже знак обоих изменений свободной энергии могут зависеть от температуры, давления или объема.

Поскольку самопроизвольные процессы характеризуются уменьшением свободной энергии системы, им нет необходимости приводить в движение внешний источник энергии.

Для случаев, связанных с изолированной системой, где нет обмена энергией с окружающей средой, спонтанные процессы характеризуются увеличением энтропии .

Спонтанная реакция является химическая реакция , которая представляет собой спонтанный процесс в условиях , представляющих интерес.

Обзор [ править ]

В общем, спонтанность процесса только определяет , является ли или нет процесс может происходить и не дает никаких указаний относительно того , или нет процесс будет происходить. Другими словами, спонтанность - необходимое, но не достаточное условие для того, чтобы процесс действительно произошел. Более того, спонтанность не влияет на скорость, с которой может произойти спонтанность.

Например, превращение алмаза в графит - это спонтанный процесс при комнатной температуре и давлении. Несмотря на то, что этот процесс является спонтанным, этот процесс не происходит, поскольку энергия, необходимая для разрыва прочных углерод-углеродных связей, больше, чем выделение свободной энергии.

Использование свободной энергии для определения спонтанности [ править ]

Для процесса, который происходит при постоянных температуре и давлении, спонтанность может быть определена с помощью изменения свободной энергии Гиббса , которая определяется как:

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S\,}$,

где знак Δ G зависит от знаков изменения энтальпии (Δ H ) и энтропии (Δ S ). Знак Д G изменится с положительного на отрицательный (или наоборот) где Т = Δ Н / Δ S .

В случаях, когда Δ G равно:

• отрицательный, процесс спонтанный и может продолжаться в прямом направлении, как написано.
• положительный, процесс не является спонтанным, как написано, но он может происходить спонтанно в обратном направлении .
• ноль, процесс находится в равновесии, без каких-либо чистых изменений с течением времени.

Этот набор правил может быть использован для определения четырех отдельных случаев, исследуя признаки Д S и Д Н .

• Когда Δ S > 0 и Δ H <0, процесс всегда самопроизвольный, как написано.
• Когда Δ S <0 и Δ H > 0, процесс никогда не бывает самопроизвольным, но обратный процесс всегда спонтанный.
• Когда Δ S > 0 и Δ H > 0, процесс будет самопроизвольным при высоких температурах и несамопроизвольным при низких температурах.
• Когда Δ S <0 и Δ H <0, процесс будет самопроизвольным при низких температурах и несамопроизвольным при высоких температурах.

Для двух последних случаев температура , при которой изменяется спонтанность будет определяться относительными величинами Д S и Д Н .

Использование энтропии для определения спонтанности [ править ]

При использовании изменения энтропии процесса для оценки спонтанности важно внимательно рассмотреть определение системы и окружающей среды. Второй закон термодинамики гласит , что процесс , связанный с изолированной системой будет спонтанным , если энтропия системы возрастает с течением времени. Однако для открытых или закрытых систем утверждение должно быть изменено, чтобы сказать, что общая энтропия объединенной системы и окружающей среды должна увеличиваться, или

${\displaystyle \Delta S_{\textrm {total}}=\Delta S_{\textrm {system}}+\Delta S_{\textrm {surroundings}}\geq 0\,}$.

Затем этот критерий может быть использован для объяснения того, как энтропия открытой или закрытой системы может уменьшаться во время спонтанного процесса. Уменьшение энтропии системы может происходить спонтанно только в том случае, если изменение энтропии окружающей среды имеет положительный знак и большую величину, чем изменение энтропии системы:

${\displaystyle \Delta S_{\textrm {surroundings}}>0}$

и

${\displaystyle \left|\Delta S_{\textrm {surroundings}}\right|>\left|\Delta S_{\textrm {system}}\right|}$

Во многих процессах увеличение энтропии окружающей среды достигается за счет передачи тепла от системы к окружающей среде (т.е. экзотермический процесс).

См. Также [ править ]

• Реакции эндергонических реакций, которые не являются спонтанными при стандартной температуре, давлении и концентрациях.
• Самопроизвольное диффузионное явление, сводящее к минимуму свободную энергию Гиббса.

Ссылки [ править ]