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자발성은 원칙적으로 매우 직관적인 개념입니다. 자발적인 과정은 우리의 일상 경험을 바탕으로 일이 발생하는 “자연적인 방식”을 나타내는 과정입니다 . 예를 들어, 우리에게는 일정 높이에서 돌을 떨어뜨리면 땅에 떨어지는 것은 지극히 자연스러운 일입니다. 냉장고에서 아이스크림을 꺼내 태양에 노출시키면 결국 녹는 것도 자연스러운 일이므로 이러한 예는 자발적인 과정입니다.
우리는 생명 자체를 호흡 중 공기 흡입, 폐포에서 혈액에 의한 산소 흡수, ATP 생성 등 동시에 조정된 방식으로 발생하는 수백만 개의 자발적인 과정의 믿을 수 없을 정도로 복잡한 조합으로 이해할 수 있습니다. 미토콘드리아에서 ATP를 사용하여 손에 돌을 잡는 데 도움이 되는 근육 수축과 이 근육을 이완시켜 땅에 떨어지도록 하는 신경 자극을 유지합니다. 그것들은 모두 자발적인 과정입니다.
자발적이지 않은 것은 앞서 언급한 프로세스 중 어느 것이든 반대 방향으로 발생한다는 것입니다. 즉, 돌이 외부의 개입 없이 갑자기 땅에서 튀어나와 1미터 높이에서 우리 손에 착지하는 것은 자연스럽거나 자발적이지 않습니다.
자발성의 열역학적 개념
자발성, 즉 과정을 자발적으로 만드는 품질은 열역학에서 매우 중요한 연구 분야입니다. 사실, 이것은 시스템이 한 상태에서 다른 상태로 자연스럽게 진화하는 이유를 이해할 수 있게 하고 주어진 시스템이 어떤 방향으로 진화할지 예측할 수 있게 해주기 때문에 이 과학 분야에서 연구하는 가장 중요한 주제라고 할 수 있습니다. 특정 초기 조건. 이를 고려하여 자발적 프로세스는 이 지식 영역의 다양한 개념을 기반으로 보다 기술적인 방식으로 정의되어야 합니다.
이러한 의미에서, 자발적인 과정은 외부 소스, 즉 주변 환경으로부터 어떤 유형의 에너지도 기여하지 않고 초기 상태에서 최종 상태로 열역학 시스템이 시간에 따라 진화하는 것으로 구성됩니다 . 우리는 또한 그것을 고립된 시스템의 시간에 따른 자연적인 진화로 정의할 수 있습니다. 정의에 따르면 이러한 시스템은 주변 환경과 어떤 식으로든 상호 작용하지 않기 때문입니다.
이전의 관점에서 그리고 우리가 살고 있는 우주가 유일하게 고립된 열역학 시스템이라는 점을 감안할 때, 우주에서 발생하는 모든 과정은 자발적인 과정이어야 합니다. 그것은 우주 밖에 있다는 것에서 (거기에 무언가가 있다면).
열역학 제2법칙과 자발성의 열역학적 기준
우리가 잠시 전에 언급했듯이, 자발적 과정에 대한 연구는 열역학이 왜 어떤 과정은 자발적이고 다른 과정은 그렇지 않은지 이해할 수 있게 해줍니다. 이로 인해 열역학 제2법칙에 요약된 자발성 기준으로 알려진 것이 확립되었습니다. 이름에서 알 수 있듯이 이는 프로세스가 제안된 의미에서 자발적인지 여부를 평가할 수 있는 기준입니다.
이러한 연구 덕분에 자발성이 에너지 소산으로 이어지는 프로세스와 관련되어 있음을 입증할 수 있었습니다 . 시스템 에너지의 소산은 시스템에 의해 집중되고 사용 가능한 형태의 에너지(예: 위치 에너지)가 열 에너지 형태로 손실되는 것을 의미하는 것으로 이해됩니다. 후자는 물질을 구성하는 입자의 무작위적이고 무질서한 움직임으로 구성됩니다.
자발적인 프로세스 동안 소실된 열 에너지의 양은 프로세스의 엔트로피 변화(ΔS)로 정량화됩니다. 엔트로피는 발견되는 상태에만 의존하는 열역학 시스템의 무질서의 척도입니다. 이를 통해 우리는 자발적인 과정이 무엇인지에 대한 보다 정확한 열역학적 개념을 확립할 수 있으며, 동시에 열역학 제2법칙을 설명하는 방법 중 하나로 밝혀졌습니다.
고립계에서 자발적인 과정은 에너지 소실을 포함하고 따라서 계의 엔트로피를 증가시키는 과정입니다(ΔS>0).
자발성의 글로벌 기준
이 개념은 고립된 시스템에 대해서만 자발적 프로세스를 정의하기 때문에 거의 사용되지 않는 것 같습니다. 예를 들어 세포와 같은 열린 시스템에서 프로세스를 연구하려면 어떻게 해야 할까요?
답은 이미 이전에 제시되었습니다. 언급된 바와 같이 두 번째 법칙은 실제로 우리가 고립된 것이든 아니든 모든 유형의 시스템에 적용되는 글로벌 자발성 기준을 설정할 수 있도록 합니다.
우주는 정의상 고립된 시스템이므로 두 번째 법칙은 우주의 엔트로피가 증가하는 한(ΔS Universe >0 ) 우주 내에서 발생하는 모든 프로세스가 자발적일 것임을 암시합니다 . 우리가 정의상 상상할 수 있는 모든 시스템은 우주에 속하기 때문에 시스템 내에서 발생하는 프로세스는 개방적이든 폐쇄적이든 고립적이든 우주 내에서도 발생할 것입니다. 결과적으로 시스템의 유형에 관계없이 자발적인 과정은 우주의 엔트로피를 증가시키는 것, 즉 우주의 무질서를 증가시키는 것입니다.
덜 일반적인 자발성 기준
우주의 엔트로피는 자발적인 과정을 정의하는 일반적인 기준을 제공하지만 일부 과정의 엔트로피 변화를 계산하는 것이 항상 쉬운 것은 아닙니다. 이를 고려하여 매우 특정한 조건에서 발생하고 우주의 엔트로피 변화가 양수일 것임을 암시하는 일련의 열역학적 기준이 설정되었습니다. 이러한 기준은 다음과 같습니다.
| 정황 | 시스템 소유권 | 자발성 기준 |
| 일정한 U 및 V에서 프로세스(격리 시스템) | 엔트로피(S) | ΔS>0 |
| 상수 P 및 T에서의 프로세스 | 깁스 자유 에너지(G) | △G<0 |
| 일정한 V 및 T에서 프로세스 | 헬름홀츠 자유 에너지(A) | ΔA<0 |
| 일정한 V 및 S에서 프로세스 | 내부에너지(U) | ΔU<0 |
이러한 모든 기준 중에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 Gibbs 자유 에너지입니다. 이는 화학 반응에 탁월하게 적용되는 기준이기 때문입니다. 이것은 생화학 분야에서 특히 그러하며, 여기서 Gibbs 자유 에너지는 단백질 합성에서 뉴런의 활동 전위 동안 막 채널을 통한 이온 통과에 이르는 과정의 방향을 예측할 수 있게 합니다. .
자발적 프로세스의 예
연소 반응
연소 반응은 구성에 따라 유기 연료가 산소와 결합하여 이산화탄소, 물 및 기타 제품을 생성하는 발열 과정입니다. 우리가 알다시피, 이러한 반응은 자발적입니다. 일단 불꽃이 시작되면 제한 시약이 소모될 때까지 반응이 계속 발생하기 때문입니다.
이러한 과정의 발열 특성은 Gibbs 자유 에너지가 항상 음수임을 의미하며, 이것이 이러한 반응이 항상 자발적인 이유입니다.
위상 변화
녹는점보다 높은 온도의 환경에 고체 물질을 배치하면 고체에서 액체 상태로의 상 변화가 결국 자발적으로 발생합니다. 예를 들어 더운 날 공기에 노출된 얼음은 녹습니다.
그 반대도 마찬가지입니다. 즉, 녹는점보다 낮은 온도의 매질에 액체를 넣으면 자발적으로 응고됩니다. 이것은 우리가 추운 겨울 밤에 액체 상태의 물을 냉동실이나 밖에 두었을 때 일어나는 일입니다.
기체 상태의 물질이 거의 없는 환경에 있을 때 액체의 증발 과정(액체에서 기체로의 전환)도 자발적인 과정이며 끓는점까지 가열할 필요가 없습니다. 우리는 젖은 옷을 자연 건조시킬 때 이것을 매일 봅니다.
마찰로 인한 감속
자발적인 프로세스의 또 다른 예는 마찰이나 마찰로 인해 정지되거나 느려지는 것입니다. 어떤 표면에서든 미끄러지는 물체는 아무리 광택이 나더라도 표면으로 전달되는 열에 따라 속도가 느려지고 모든 운동 에너지가 소산됩니다.
NASA의 우주왕복선이나 SpaceX의 크루 드래곤 캡슐과 같은 우주선이 궤도를 돌고 지구 대기권에 다시 진입할 때도 이와 동일한 자발적인 과정을 볼 수 있습니다. 감속은 너무 극적이며 너무 많은 열을 발생시켜 문자 그대로 대기의 공기를 폭발시켜 낮에도 볼 수 있는 플라즈마 제트로 압축하고 가열합니다.
튀는 공의 위치 에너지 소실
마지막 예로 고무공을 특정 높이에서 땅에 떨어뜨렸을 때 어떤 일이 일어나는지 살펴보겠습니다. 처음에 공은 높이로 인해 위치 에너지를 가지고 있습니다. 방출되면 공이 속도를 얻음에 따라 위치 에너지가 운동 에너지로 변환됩니다. 땅을 칠 때 공이 변형되면서 운동 에너지가 탄성 위치 에너지로 변환됩니다. 그런 다음 이 에너지가 방출되고 공이 튀게 됩니다.
역학과 에너지 보존의 법칙은 공이 이전과 같은 높이로 다시 튀어오를 것이라고 예측하지만, 우리가 관찰한 것은 공이 땅에 닿을 때까지 점점 덜 튀는 것입니다. 이 과정은 자발적이며 공기와의 마찰과 튀는 표면의 소성 변형으로 인해 초기 위치 에너지가 열의 형태로 소산된다는 사실 때문입니다.
참조
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UNAM. (일차). 자발성 기준 . UNAM의 물리 화학과. http://depa.fquim.unam.mx/~fermor/blog/programas/2010clase1.pdf
