Tabla de Contenidos
A spontaneitás elvileg nagyon intuitív fogalom. A spontán folyamatok azok, amelyek napi tapasztalataink alapján a dolgok „természetes módját” képviselik . Például számunkra teljesen természetes, hogy ha egy sziklát leejtünk egy bizonyos magasságból, az a földre esik. Az is természetes, hogy ha kiveszünk egy fagylaltot a hűtőből és napfénynek tesszük ki, az előbb-utóbb megolvad, tehát ezek közül bármelyik spontán folyamat.
Magát az életet akár több millió spontán folyamat hihetetlenül összetett kombinációjaként is felfoghatjuk, amelyek egyszerre és összehangoltan mennek végbe, a légzés során fellépő levegő beszívásától, a tüdő alveolusaiban lévő vér oxigénfelvételétől és az ATP termelésétől kezdve. A mitokondriumokban az említett ATP-nek az izomösszehúzódás fenntartására való felhasználására, ami segít nekünk egy sziklát a kezünkben tartani, és az idegimpulzusokat, amelyek arra késztetnek bennünket, hogy ellazítsuk ezeket az izmokat, így elengedjük, majd leesik a földre. Ezek mind spontán folyamatok.
Ami nem spontán, az az, hogy a fent említett folyamatok bármelyike ellenkező irányban megy végbe. Vagyis nem természetes és nem spontán, hogy egy szikla külső beavatkozás nélkül hirtelen kiugrik a földből, és egy méter magasságban a kezünkben landol.
A spontaneitás termodinamikai fogalma
A spontaneitás, vagyis az a minőség, amely spontánná tesz egy folyamatot, a termodinamika nagyon fontos tudományterülete. Valójában azt is mondhatnánk, hogy ez a tudomány e ága által vizsgált legfontosabb téma, mivel lehetővé teszi számunkra annak megértését, hogy a rendszerek miért fejlődnek természetes módon egyik állapotból a másikba, és azt is lehetővé teszi, hogy megjósoljuk, milyen irányba fejlődik egy rendszer adott esetben. bizonyos kezdeti feltételek. Ennek fényében egy spontán folyamatot technikaibb módon kell meghatározni, és ennek a tudásterületnek a különböző fogalmai alapján kell meghatározni.
Ebben az értelemben a spontán folyamat egy termodinamikai rendszer időbeni fejlődéséből áll a kezdeti állapotból a végső állapotba anélkül, hogy bármilyen külső forrásból, azaz környezetéből származó energia közreműködne . Definiálhatjuk úgy is, mint egy elszigetelt rendszer természetes idõbeli evolúcióját, hiszen értelemszerûen ezek a rendszerek semmilyen módon nem lépnek kölcsönhatásba a környezettel.
Az előző nézőpontból, és tekintettel arra, hogy az univerzum, amelyben élünk, az egyetlen kiválóan izolált termodinamikai rendszer, minden, az univerzumban végbemenő folyamatnak spontán folyamatnak kell lennie, mivel ha megtörtént, akkor minden bemenet nélkül történt. attól, hogy az univerzumon kívül van (ha van ott valami).
A termodinamika második főtétele és a spontaneitás termodinamikai kritériumai
Amint azt egy pillanattal ezelőtt említettük, a spontán folyamatok tanulmányozása lehetővé teszi a termodinamika számára, hogy megértse, egyes folyamatok miért spontánok, mások miért nem. Ez az úgynevezett spontaneitási kritériumok felállításához vezetett, amelyeket a termodinamika második főtétele foglal össze. Ahogy a neve is sugallja, ezek olyan kritériumok, amelyek lehetővé teszik számunkra annak értékelését, hogy egy folyamat a javasolt értelemben spontán-e vagy sem.
Ezeknek a vizsgálatoknak köszönhetően sikerült megállapítani, hogy a spontaneitás összefügg azokkal a folyamatokkal, amelyek az energia disszipációjához vezetnek . A rendszer energiájának disszipációja alatt azt értjük, hogy a rendszer egy koncentrált és felhasználható energiaformát (például potenciális energiát) hőenergia formájában veszít el. Ez utóbbi az anyagot alkotó részecskék véletlenszerű és rendezetlen mozgásából áll.
A spontán folyamat során disszipált hőenergia mennyiségét a folyamat entrópiaváltozása (ΔS) számszerűsíti. Az entrópia egy termodinamikai rendszer rendezetlenségének mértéke, amely kizárólag attól függ, hogy milyen állapotban van. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy pontosabb termodinamikai koncepciót hozzunk létre arról, hogy mi a spontán folyamat, egy olyan fogalom, amely egyúttal a termodinamika második főtételének megfogalmazásának egyik módja is:
Izolált rendszerben a spontán folyamat az energia disszipációjával jár, és ezért a rendszer entrópiájának növekedését idézi elő (ΔS>0).
A spontaneitás globális kritériuma
Ez a fogalom kevéssé hasznosnak tűnik, mivel csak elszigetelt rendszerekre definiál spontán folyamatokat. Érdemes lenne tehát feltenni magunknak a kérdést, hogy mi történik akkor, ha egy folyamatot egy nyílt rendszerben, például egy sejtben akarunk vizsgálni?
A választ már korábban bemutattuk. Kiderült, hogy a második törvény, amint azt mondtuk, valójában lehetővé teszi számunkra, hogy létrehozzunk egy globális spontaneitáskritériumot, amely bármilyen típusú rendszerre vonatkozik, függetlenül attól, hogy izolált-e vagy sem.
Ne feledje, hogy az univerzum definíció szerint egy elszigetelt rendszer, így a második törvény azt jelenti, hogy az univerzumon belül minden folyamat spontán lesz, amíg az univerzum entrópiája növekszik (ΔS Universe >0 ) . Mivel minden olyan rendszer, amelyet definíció szerint elképzelünk, az univerzumhoz tartozik, minden folyamat, amely egy rendszeren belül történik, legyen az nyitott, zárt vagy elszigetelt, az univerzumon belül is meg fog történni. Következésképpen a rendszer típusától függetlenül egy spontán folyamat az univerzum entrópiájának növekedését idézi elő, vagy ami ugyanaz, ami az univerzum rendezetlenségének növekedéséhez vezet.
Kevésbé általános spontaneitási kritériumok
Az univerzum entrópiája megadja számunkra az általános kritériumot egy spontán folyamat meghatározásához, azonban egyes folyamatok entrópiaváltozását nem mindig könnyű kiszámítani. Ennek fényében egy sor termodinamikai kritériumot állítottak fel olyan folyamatokra, amelyek nagyon specifikus körülmények között mennek végbe, és amelyek azt jelentik, hogy az univerzum entrópiájának változása pozitív lesz. Ezek a kritériumok a következők:
| Körülmények | rendszer tulajdonjoga | spontaneitás kritérium |
| Folyamatok állandó U és V mellett (szigetelt rendszerek) | entrópia (S) | ΔS>0 |
| Folyamat állandó P és T mellett | Gibbs szabad energia (G) | ΔG<0 |
| Folyamat V és T állandó mellett | Helmholtz-mentes energia (A) | ΔA<0 |
| Folyamat V és S állandó mellett | Belső energia (U) | ΔU<0 |
Mindezek közül a kritériumok közül a leggyakrabban használt Gibbs-szabadenergia, mivel ezt a kritériumot alkalmazzák kiválóan a kémiai reakciókban. Ez különösen igaz a biokémia területére, ahol a Gibbs-szabad energia lehetővé teszi a folyamatok irányának előrejelzését a fehérjeszintézistől az ionok membráncsatornákon való áthaladásáig egy neuron akciós potenciálja során.
Példák spontán folyamatokra
égési reakciók
Az égési reakciók olyan exoterm folyamatok, amelyek során egy szerves tüzelőanyagot oxigénnel kombinálnak szén-dioxid, víz és egyéb termékek előállítására, az összetételtől függően. Mint tudjuk, ezek a reakciók spontánok, mivel a láng beindulása után a reakció addig megy végbe, amíg a korlátozó reagens el nem fogy.
Ezeknek a folyamatoknak az exoterm természete azt jelenti, hogy Gibbs szabad energiájuk mindig negatív, ezért ezek a reakciók mindig spontának.
fázisváltozások
Ha egy szilárd anyagot olyan környezetbe helyezünk, amelynek hőmérséklete magasabb, mint az olvadáspontja, a fázisváltás szilárdból folyékony halmazállapotba végül spontán módon megtörténik. Például a forró napon a levegőnek kitett jég megolvad.
Az ellenkezője is igaz. Vagyis ha olyan közegbe helyezünk egy folyadékot, amelynek hőmérséklete alacsonyabb, mint az olvadáspontja, akkor spontán megszilárdul. Ez történik, ha egy hideg téli éjszakán folyékony vizet hagyunk a fagyasztóban vagy kint.
A folyadék párolgási folyamata (folyadékból gázba való átmenet), amikor olyan környezetben van, amelyben nagyon kevés gáz halmazállapotú anyag van, szintén spontán folyamat, és nem szükséges forráspontig melegíteni. Ezt minden nap látjuk, amikor a nedves ruhákat levegőn hagyjuk megszáradni.
Súrlódás miatti lassulás
A spontán folyamat másik példája a súrlódás vagy súrlódás miatti elakadás vagy lelassulás. Mindennapi megfigyelés, hogy a bármilyen felületen csúszó dolgok, bármilyen csiszolt is, végül lelassulnak, és a felületre átvitt hőként az összes mozgási energiát eloszlatják.
Ugyanezt a spontán folyamatot láthatjuk akkor is, amikor az űrhajók, mint például a NASA űrsiklója vagy a SpaceX Crew Dragon kapszulája keringés után újra belépnek a Föld légkörébe. A lassulás olyan drámai, és akkora hőt termel, hogy szó szerint felrobbantja a légkör levegőjét, amely összenyomódik, és még nappal is látható plazmasugárrá melegszik fel.
Egy pattogó labda potenciális energiájának disszipációja
Utolsó példaként elmondhatjuk, hogy mi történik egy gumilabdával, ha egy bizonyos magasságból leejtjük a földre. Eleinte a labda a magasságának köszönhetően potenciális energiával rendelkezik. Felszabaduláskor a potenciális energia mozgási energiává alakul át, ahogy a labda felgyorsul. Földet érve a mozgási energia rugalmas potenciális energiává alakul át, ahogy a labda deformálódik. Aztán ez az energia felszabadul, és a labda pattog.
A mechanika és az energiamegmaradás törvényei azt jósolják, hogy a labdának ugyanabba a magasságba kell visszapattannia, mint korábban, de megfigyeljük, hogy a labda egyre kevésbé pattan, amíg meg nem áll a talajon. Ez a folyamat spontán, és annak a ténynek köszönhető, hogy a kezdeti potenciális energia hő formájában disszipálódik a levegővel való súrlódás következtében, valamint a felületen, amelyen visszapattan, plasztikus deformációi miatt.
Hivatkozások
Atkins, P. és dePaula, J. (2010). Atkins. Fizikai kémia (8. kiadás ). Panamerican Medical Editorial.
Chang, R. (2002). Fizikokémia (1. kiadás ). MCGRAW HILL OKTATÁS.
spontán folyamatok . (nd). AGB Gimnázium. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo7.html
Ricardo, R. (2020, szeptember 9.). ▷ Spontán folyamat : meghatározás és példák . tanul. https://estudyando.com/proceso-espontaneo-definicion-y-ejemplos/
UNAM. (nd). SPONTANEITÁSI KRITÉRIUMOK . Az UNAM Fizikokémiai Tanszéke. http://depa.fquim.unam.mx/~fermor/blog/programas/2010clase1.pdf
