Какво е спонтанен процес?

Спонтанността е концепция, която по принцип е много интуитивна. Спонтанните процеси са тези, които представляват „естествения начин“, по който нещата се случват въз основа на нашия ежедневен опит . Например, за нас е напълно естествено, ако пуснем камък от определена височина, той да падне на земята. Също така е естествено, че ако извадим сладолед от хладилника и го оставим изложен на слънце, той в крайна сметка ще се разтопи, така че всеки от тези примери е спонтанен процес.

Можем дори да разберем самия живот като невероятно сложна комбинация от милиони спонтанни процеси, които се случват едновременно и по координиран начин, от поглъщането на въздух по време на дишане, абсорбцията на кислород от кръвта в белодробните алвеоли и производството на АТФ .. в митохондриите, до използването на споменатия АТФ за поддържане на мускулна контракция, която ни помага да държим камък в ръката си и нервните импулси, които ни карат да отпуснем тези мускули, така че да ги пуснем и след това да падне на земята. Всички те са спонтанни процеси.

Това, което не е спонтанно, е, че всеки от гореспоменатите процеси протича в обратна посока. Тоест, не е естествено или спонтанно камъкът внезапно да изскочи от земята без външна намеса и да кацне в ръката ни на височина от един метър.

Термодинамична концепция за спонтанност

Спонтанността, тоест качеството, което прави процеса спонтанен, е много важна област на изследване в термодинамиката. Всъщност може да се каже, че това е най-важният предмет, изучаван от този клон на науката, тъй като ни позволява да разберем защо системите се развиват естествено от едно състояние в друго и също така ни позволява да предвидим в каква посока ще се развие дадена система, дадена определени начални условия. С оглед на това спонтанният процес трябва да бъде дефиниран по по-технически начин и въз основа на различните концепции на тази област на знанието.

В този смисъл спонтанният процес се състои от еволюцията във времето на термодинамична система от първоначално състояние до крайно без принос на какъвто и да е вид енергия от външен източник, тоест от нейната среда . Можем също да го определим като естествена еволюция във времето на изолирана система, тъй като по дефиниция тези системи не взаимодействат по никакъв начин със заобикалящата ги среда.

От предишната гледна точка и като се има предвид, че Вселената, в която живеем, е единствената изолирана термодинамична система par excellence, всеки процес, който се случва във Вселената, трябва да бъде спонтанен процес, тъй като, ако се е случил, го е направил без никаква информация от това, че е извън Вселената (ако има нещо там).

Вторият закон на термодинамиката и термодинамичните критерии за спонтанност

Както споменахме преди малко, изследването на спонтанните процеси позволява на термодинамиката да разбере защо някои процеси са спонтанни и защо други не са. Това доведе до установяването на това, което е известно като критерии за спонтанност, които са обобщени във втория закон на термодинамиката. Както подсказва името му, това са критерии, които ни позволяват да преценим дали даден процес е спонтанен в предложения смисъл.

Благодарение на тези изследвания беше възможно да се установи, че спонтанността е свързана с тези процеси, които водят до разсейване на енергия . Под разсейване на енергията на системата се разбира загубата на концентрирана и използваема форма на енергия от системата (например потенциална енергия) под формата на топлинна енергия. Последното се състои от случайно и безредно движение на частиците, които изграждат материята.

Количеството топлинна енергия, разсеяно по време на спонтанен процес, се определя количествено чрез промяната на ентропията на процеса (ΔS). Ентропията е мярка за разстройството на една термодинамична система, която зависи единствено от състоянието, в което се намира. Това ни позволява да установим по-точна термодинамична концепция за това какво е спонтанен процес, концепция, която се оказва в същото време един от начините за формулиране на втория закон на термодинамиката:

В изолирана система спонтанен процес е този, който включва разсейване на енергия и следователно води до увеличаване на ентропията на системата (ΔS>0).

Глобален критерий за спонтанност

Тази концепция изглежда малко полезна, тъй като дефинира спонтанни процеси само за изолирани системи. Тогава би било добре да се запитаме какво се случва, ако искаме да изучаваме процес в отворена система, като например клетка?

Отговорът вече беше представен преди. Оказва се, че вторият закон, както беше посочено, всъщност ни позволява да установим глобален критерий за спонтанност, който да се прилага за всеки тип система, изолирана или не.

Не забравяйте, че Вселената по дефиниция е изолирана система, така че вторият закон предполага, че всеки процес, който се случва във Вселената, ще бъде спонтанен, докато ентропията на Вселената се увеличава (ΔS Universe >0 ₎ . Тъй като всяка система, която можем да си представим по дефиниция, принадлежи към Вселената, тогава всеки процес, който се случва в дадена система, независимо дали е отворен, затворен или изолиран, също ще се случва във Вселената. Следователно, независимо от вида на системата, спонтанен процес ще бъде този, който води до увеличаване на ентропията на Вселената или, което е същото, който води до увеличаване на безпорядъка на Вселената.

По-малко общи критерии за спонтанност

Ентропията на Вселената ни предоставя общия критерий за дефиниране на спонтанен процес, но не винаги е лесно да се изчисли промяната на ентропията за някои процеси. С оглед на това са установени поредица от термодинамични критерии за процеси, които протичат при много специфични условия и които предполагат, че изменението на ентропията на Вселената ще бъде положително. Тези критерии са:

От всички тези критерии най-често използваният е свободната енергия на Гибс, тъй като това е критерият, който се прилага par excellence към химичните реакции. Това е особено вярно в областта на биохимията, където свободната енергия на Гибс позволява да се предвиди посоката на процесите, вариращи от протеиновия синтез до преминаването на йони през мембранните канали по време на потенциала за действие на неврона.

Примери за спонтанни процеси

реакции на горене

Реакциите на горене са екзотермични процеси, при които органично гориво се комбинира с кислород за получаване на въглероден диоксид, вода и други продукти, в зависимост от състава. Както знаем, тези реакции са спонтанни, тъй като след като пламъкът е започнал, реакцията продължава да протича, докато ограничителният реагент се изразходва.

Екзотермичният характер на тези процеси означава, че тяхната свободна енергия на Гибс винаги е отрицателна, поради което тези реакции винаги са спонтанни.

фазови промени

Когато поставим твърдо вещество в среда, която е при температура, по-висока от неговата точка на топене, фазовата промяна от твърдо в течно състояние в крайна сметка ще настъпи спонтанно. Например ледът, изложен на въздуха в горещ ден, се топи.

Обратното също е вярно. Тоест, ако поставим течност в среда с температура, по-ниска от нейната точка на топене, тя ще се втвърди спонтанно. Това се случва, когато оставим течна вода във фризера или навън в студена зимна нощ.

Процесът на изпаряване на течност (преход от течност към газ), когато е в среда, в която има много малко от това вещество в газообразно състояние, също е спонтанен процес и не изисква нагряване до точката на кипене. Виждаме това всеки ден, когато оставим мокрите дрехи да изсъхнат на въздух.

Забавяне поради триене

Друг пример за спонтанен процес е спиране или забавяне поради триене или триене. Ежедневно наблюдение е, че неща, които се плъзгат по всяка повърхност, независимо колко е полирана, в крайна сметка забавят и разсейват цялата кинетична енергия като топлина, пренесена на повърхността.

Можем също да видим същия спонтанен процес, когато космически кораби, като космическата совалка на НАСА или капсулата Crew Dragon на SpaceX, навлизат отново в земната атмосфера след орбита. Забавянето е толкова драматично и произвежда толкова много топлина, че буквално взривява въздуха в атмосферата, който се компресира и нагрява в плазмена струя, която може да се види дори през деня.

Разсейване на потенциалната енергия на отскачаща топка

Като последен пример имаме какво се случва с гумена топка, когато я пуснем на земята от определена височина. Първоначално топката притежава потенциална енергия поради височината си. Когато бъде освободена, потенциалната енергия се трансформира в кинетична енергия, докато топката набира скорост. При удар в земята кинетичната енергия се трансформира в еластична потенциална енергия, докато топката се деформира. След това тази енергия се освобождава и топката отскача.

Законите на механиката и запазването на енергията предвиждат, че топката трябва да отскочи на същата височина, както преди, но това, което наблюдаваме е, че топката отскача все по-малко и по-малко, докато не спре на земята. Този процес е спонтанен и се дължи на факта, че първоначалната потенциална енергия се разсейва под формата на топлина поради триене с въздуха и поради пластични деформации на повърхността, върху която отскача.

Препратки

Atkins, P. & dePaula, J. (2010). Аткинс. Физическа химия (8- ^{мо издание} ). Панамериканска медицинска редакция.

Чанг, Р. (2002). Физикохимия (1- ^{во издание} ). MCGRAW HILL ОБРАЗОВАНИЕ.

спонтанни процеси . (nd). Гимназия AGB. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo7.html

Рикардо, Р. (2020 г., 9 септември). ▷ Спонтанен процес : определение и примери . изучаване. https://estudyando.com/proceso-espontaneo-definicion-y-ejemplos/

UNAM. (nd). КРИТЕРИИ ЗА СПОНТАННОСТ . Катедра по физикохимия на UNAM. http://depa.fquim.unam.mx/~fermor/blog/programas/2010clase1.pdf