Proces spontan - Spontaneous process

În termodinamică , un proces spontan este un proces care are loc fără nicio intrare externă în sistem. O definiție mai tehnică este evoluția în timp a unui sistem în care eliberează energie liberă și se deplasează către o stare de energie mai mică, mai stabilă din punct de vedere termodinamic (mai aproape de echilibrul termodinamic ). Convenția semnelor pentru schimbarea energiei libere urmează convenția generală pentru măsurătorile termodinamice, în care o eliberare a energiei libere din sistem corespunde unei modificări negative a energiei libere a sistemului și o schimbare pozitivă a energiei libere a mediului înconjurător .

În funcție de natura procesului, energia liberă este determinată diferit. De exemplu, schimbarea energiei libere Gibbs este utilizată atunci când se iau în considerare procesele care au loc în condiții constante de presiune și temperatură , în timp ce schimbarea energiei libere Helmholtz este utilizată atunci când se analizează procesele care au loc în condiții constante de volum și temperatură. Valoarea și chiar semnul ambelor schimbări de energie liberă pot depinde de temperatură, presiune sau volum.

Deoarece procesele spontane se caracterizează printr-o scădere a energiei libere a sistemului, acestea nu trebuie să fie conduse de o sursă externă de energie.

Pentru cazurile care implică un sistem izolat în care nu se schimbă energie cu împrejurimile, procesele spontane se caracterizează printr-o creștere a entropiei .

O reacție spontană este o reacție chimică care este un proces spontan în condițiile de interes.

Prezentare generală

În general, spontaneitatea unui proces determină doar dacă poate avea loc sau nu un proces și nu indică dacă procesul va avea loc sau nu . Cu alte cuvinte, spontaneitatea este o condiție necesară, dar nu suficientă, pentru ca un proces să se producă efectiv. Mai mult, spontaneitatea nu are nicio implicație cu privire la viteza cu care poate apărea atât de spontan.

De exemplu, conversia unui diamant în grafit este un proces spontan la temperatura camerei și presiune. În ciuda faptului că este spontan, acest proces nu are loc deoarece energia pentru a sparge legăturile puternice carbon-carbon este mai mare decât eliberarea de energie liberă.

Folosirea energiei libere pentru a determina spontaneitatea

Pentru un proces care are loc la temperatură și presiune constante, spontaneitatea poate fi determinată folosind schimbarea energiei libere Gibbs , care este dată de:

${\ displaystyle \ Delta G = \ Delta HT \ Delta S \,}$ ,

unde semnul lui Δ G depinde de semnele schimbărilor de entalpie (Δ H ) și entropie (Δ S ). Semnul Δ G se va schimba de la pozitiv la negativ (sau invers) unde T = Δ H / Δ S .

În cazurile în care Δ G este:

• negativ, procesul este spontan și poate continua în direcția înainte, așa cum este scris.
• pozitiv, procesul este non-spontan așa cum este scris, dar poate continua spontan în direcția inversă .
• zero, procesul este la echilibru, fără schimbări nete care au loc în timp.

Acest set de reguli pot fi utilizate pentru a determina patru cazuri distincte prin examinarea semnele Δ S și Δ H .

• Când Δ S > 0 și Δ H <0, procesul este întotdeauna spontan așa cum este scris.
• Când Δ S <0 și Δ H > 0, procesul nu este niciodată spontan, dar procesul invers este întotdeauna spontan.
• Când Δ S > 0 și Δ H > 0, procesul va fi spontan la temperaturi ridicate și non-spontan la temperaturi scăzute.
• Când Δ S <0 și Δ H <0, procesul va fi spontan la temperaturi scăzute și non-spontan la temperaturi ridicate.

Pentru ultimele două cazuri, temperatura la care se schimbă spontaneitate vor fi determinate de magnitudinile relative ale Δ S și Δ H .

Folosirea entropiei pentru a determina spontaneitatea

Atunci când se utilizează schimbarea entropiei unui proces pentru a evalua spontaneitatea, este important să se ia în considerare cu atenție definiția sistemului și a împrejurimilor. A doua lege a termodinamicii afirmă că un proces care implică un sistem izolat va fi spontan dacă entropia sistemului crește în timp. Cu toate acestea, pentru sistemele deschise sau închise, afirmația trebuie modificată pentru a spune că entropia totală a sistemului combinat și a împrejurimilor trebuie să crească sau,

${\ displaystyle \ Delta S _ {\ textrm {total}} = \ Delta S _ {\ textrm {system}} + \ Delta S _ {\ textrm {împrejurimi}} \ geq 0 \,}$ .

Acest criteriu poate fi apoi folosit pentru a explica modul în care este posibil ca entropia unui sistem deschis sau închis să scadă în timpul unui proces spontan. O scădere a entropiei sistemului poate apărea spontan numai dacă schimbarea entropiei din mediul înconjurător este pozitivă în semn și are o magnitudine mai mare decât schimbarea entropiei sistemului:

${\ displaystyle \ Delta S _ {\ textrm {împrejurimi}}> 0}$

și

${\ displaystyle \ left | \ Delta S _ {\ textrm {împrejurimi}} \ right |> \ left | \ Delta S _ {\ textrm {system}} \ right |}$

În multe procese, creșterea entropiei din împrejurimi se realizează prin transfer de căldură din sistem în împrejurimi (adică un proces exoterm).

Vezi si

• Reacții de reacție endergonică care nu sunt spontane la temperatura, presiunea și concentrațiile standard.
• Fenomen spontan de difuzie care minimizează energia liberă a lui Gibbs.

Referințe