Vad är en spontan process?

Spontanitet är ett koncept som i princip är väldigt intuitivt. Spontana processer är de som representerar det ”naturliga sättet” på vilket saker uppstår baserat på vår dagliga erfarenhet . För oss är det till exempel helt naturligt att om vi tappar en sten från en viss höjd så faller den till marken. Det är också naturligt att om vi tar ut en glass ur kylskåpet och låter den exponeras för solen kommer den så småningom att smälta, så något av dessa exempel är spontana processer.

Vi kan till och med förstå själva livet som en otroligt komplex kombination av miljontals spontana processer som sker samtidigt och på ett koordinerat sätt, från intag av luft under andning, absorption av syre av blodet i lungalveolerna och produktion av ATP i mitokondrierna, till användningen av nämnda ATP för att upprätthålla muskelkontraktion som hjälper oss att hålla en sten i vår hand och nervimpulserna som leder oss att slappna av dessa muskler så att vi släpper taget och sedan faller den till marken. De är alla spontana processer.

Vad som inte är spontant är att någon av de tidigare nämnda processerna sker i motsatt riktning. Det vill säga, det är inte naturligt eller spontant att en sten plötsligt hoppar upp ur marken utan yttre ingrepp och landar i vår hand på en meters höjd.

Termodynamisk koncept av spontanitet

Spontanitet, det vill säga den egenskap som gör en process spontan, är ett mycket viktigt studieområde inom termodynamiken. I själva verket kan man säga att det är det viktigaste ämnet som studeras av denna gren av vetenskapen, eftersom det låter oss förstå varför system utvecklas naturligt från ett tillstånd till ett annat och även låter oss förutsäga i vilken riktning ett system kommer att utvecklas givet vissa initiala villkor. Med tanke på detta måste en spontan process definieras på ett mer tekniskt sätt och utifrån de olika begreppen inom detta kunskapsområde.

I denna mening består en spontan process av utvecklingen i tiden av ett termodynamiskt system från ett initialt tillstånd till ett slutligt utan bidrag från någon typ av energi från en extern källa, det vill säga från dess omgivning . Vi kan också definiera det som den naturliga utvecklingen i tiden av ett isolerat system, eftersom dessa system per definition inte interagerar på något sätt med omgivningen.

Från den tidigare synvinkeln och med tanke på att universum där vi lever är det enda isolerade termodynamiska systemet par excellence, måste varje process som sker i universum vara en spontan process, eftersom om den inträffade så gjorde den det utan någon inmatning från att det är utanför universum (om det finns något där).

Termodynamikens andra lag och de termodynamiska kriterierna för spontanitet

Som vi nämnde för ett ögonblick sedan tillåter studiet av spontana processer termodynamiken att förstå varför vissa processer är spontana och varför andra inte är det. Detta har lett till upprättandet av så kallade spontanitetskriterier, som sammanfattas i termodynamikens andra lag. Som namnet antyder är dessa kriterier som gör det möjligt för oss att bedöma om en process är spontan i den föreslagna meningen eller inte.

Tack vare dessa studier har det varit möjligt att fastställa att spontanitet är förknippat med de processer som leder till förlust av energi . Med förlust av ett systems energi menas förlusten av en koncentrerad och användbar energiform av systemet (till exempel potentiell energi) i form av termisk energi. Den senare består av den slumpmässiga och oordnade rörelsen av partiklarna som utgör materia.

Mängden termisk energi som försvinner under en spontan process kvantifieras av processens entropiförändring (ΔS). Entropi är ett mått på störningen i ett termodynamiskt system som enbart beror på det tillstånd i vilket det finns. Detta gör att vi kan etablera ett mer exakt termodynamiskt koncept för vad en spontan process är, ett koncept som samtidigt visar sig vara ett av sätten att uttrycka termodynamikens andra lag:

I ett isolerat system är en spontan process en process som involverar förlust av energi och därför producerar en ökning av systemets entropi (ΔS>0).

Globalt kriterium för spontanitet

Detta koncept verkar vara till liten nytta, eftersom det definierar spontana processer endast för isolerade system. Det skulle då vara värt att fråga oss själva, vad händer om vi vill studera en process i ett öppet system som till exempel en cell?

Svaret har redan presenterats tidigare. Det visar sig att den andra lagen, som sagt, faktiskt tillåter oss att fastställa ett globalt spontanitetskriterium som gäller för alla typer av system, isolerade eller inte.

Kom ihåg att universum per definition är ett isolerat system, så den andra lagen innebär att varje process som sker inom universum kommer att vara spontan, så länge som universums entropi ökar (ΔS Universum >0 ₎ . Eftersom vilket system som helst som vi kan föreställa oss per definition tillhör universum, så kommer varje process som sker inom ett system, vare sig det är öppet, stängt eller isolerat, också att inträffa i universum. Följaktligen, oavsett typ av system, kommer en spontan process att vara en som producerar en ökning av universums entropi eller, vad som är detsamma, som leder till en ökning av universums oordning.

Mindre generella spontanitetskriterier

Universums entropi ger oss det allmänna kriteriet för att definiera en spontan process, men det är inte alltid lätt att beräkna entropiförändringen för vissa processer. Med tanke på detta har en serie termodynamiska kriterier fastställts för processer som sker under mycket specifika förhållanden och som innebär att variationen i universums entropi kommer att vara positiv. Dessa kriterier är:

Av alla dessa kriterier är det vanligast använda Gibbs fria energi, eftersom det är kriteriet som tillämpas vid excellens för kemiska reaktioner. Detta är särskilt sant inom biokemiområdet, där Gibbs fria energi gör det möjligt att förutsäga riktningen för processer som sträcker sig från proteinsyntes till passage av joner genom membrankanaler under aktionspotentialen hos en neuron. .

Exempel på spontana processer

förbränningsreaktioner

Förbränningsreaktioner är exoterma processer där ett organiskt bränsle kombineras med syre för att producera koldioxid, vatten och andra produkter, beroende på sammansättningen. Som vi vet är dessa reaktioner spontana, eftersom när lågan väl har startat fortsätter reaktionen att ske tills det begränsande reagenset är förbrukat.

Den exoterma karaktären hos dessa processer gör att deras Gibbs fria energi alltid är negativ, vilket är anledningen till att dessa reaktioner alltid är spontana.

fasförändringar

När vi placerar ett fast ämne i en miljö som har en temperatur högre än dess smältpunkt kommer fasförändringen från fast till flytande tillstånd så småningom att ske spontant. Till exempel smälter is som exponeras för luften en varm dag.

Det motsatta är också sant. Det vill säga om vi placerar en vätska i ett medium som har en temperatur som är lägre än dess smältpunkt kommer den att stelna spontant. Det är vad som händer när vi lämnar flytande vatten i frysen eller ute en kall vinternatt.

Förångningsprocessen för en vätska (övergång från vätska till gas) när den befinner sig i en miljö där det finns mycket lite av detta ämne i gasform är också en spontan process och kräver inte uppvärmning till kokpunkten. Det ser vi varje dag när vi låter blöta kläder lufttorka.

Retardation på grund av friktion

Ett annat exempel på en spontan process är att stanna eller sakta ner på grund av friktion eller gnidning. Det är en vardaglig observation att saker som glider på vilken yta som helst, oavsett hur polerad, slutar med att sakta ner och försvinna all kinetisk energi som värme överförs till ytan.

Vi kan också se samma spontana process när rymdfarkoster, som NASA:s rymdfärja eller SpaceX:s Crew Dragon-kapsel, återinträder i jordens atmosfär efter en omloppsbana. Nedgången är så dramatisk och producerar så mycket värme att den bokstavligen exploderar luften i atmosfären, som komprimeras och värms upp till en plasmastråle som kan ses även under dagen.

Förlust av potentiell energi från en studsande boll

Som ett sista exempel har vi vad som händer med en gummiboll när vi tappar den på marken från en viss höjd. Till en början har bollen potentiell energi på grund av sin höjd. När den släpps omvandlas den potentiella energin till kinetisk energi när bollen tar fart. När den träffar marken omvandlas kinetisk energi till elastisk potentiell energi när bollen deformeras. Då frigörs denna energi och bollen studsar.

Mekanikens lagar och energibevarandet förutspår att bollen ska studsa tillbaka till samma höjd som tidigare, men det vi observerar är att bollen studsar mindre och mindre tills den kommer att vila på marken. Denna process är spontan och beror på att den initiala potentiella energin försvinner i form av värme på grund av friktion med luften och på grund av plastiska deformationer på ytan som den studsar på.

Referenser

Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Atkins. Physical Chemistry (8: ^{e upplagan} ). Panamerican Medical Editorial.

Chang, R. (2002). Fysikalisk kemi (1: ^{a uppl.} ). MCGRAW HILL UTBILDNING.

spontana processer . (nd). AGB gymnasiet. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo7.html

Ricardo, R. (2020, 9 september). ▷ Spontan process : definition och exempel . studerar. https://estudyando.com/proceso-espontaneo-definicion-y-ejemplos/

UNAM. (nd). SPONTANITETSKRITERIER . Institutionen för fysikokemi vid UNAM. http://depa.fquim.unam.mx/~fermor/blog/programas/2010clase1.pdf