気化のエントロピー

エントロピーは、システムの無秩序の程度です。エントロピーの値が高いほど、無秩序の値が高いことを意味します。 「S」で表されます。システムの無秩序は、その段階に関連しています。

結晶性固体物質の場合、エントロピーは最低 (最も秩序ある) である必要があり、気体状態はエントロピーが最高の状態です。

エントロピーの変化は熱を温度で割った値として表されるため、エントロピーの単位は 1 度あたりのカロリー (cal deg-1) または 1 ケルビンあたりのジュール (JK-1) です。

運動分子理論

物質の温度は、その粒子の平均運動エネルギーに比例します。物質の温度を上げると、固体内の粒子の動きが増え、液体や気体内の粒子の動きが速くなります。温度が高い場合、原子の運動エネルギーも低い場合よりも高くなります。したがって、あらゆる物質のエントロピーは温度とともに増加すると言えます。

エントロピーに関する熱力学第二法則

熱力学の第 2 法則に従って、システムとその周囲 (宇宙) の全エントロピーは自然に増加します。

熱力学的に次のように書くことができます:

Δ S 宇宙 =Δ S 合計 =Δ S Sys + Δ S Surr> 0.

気化のエントロピー

気化のエントロピーは、液体の気化時のエントロピーの増加です。

体積の小さい液体から体積の大きい蒸気への遷移で無秩序の程度が大きくなるにつれて、

標準圧力 (Po =1 bar) では、気化のエントロピー は ΔSovap で表され、単位は J/(mol・K) です。

蒸発エンタルピー (ΔvapH)

標準気化エンタルピーは、一定温度および標準圧力 (1bar) などの特定の条件で 1 モルの液体を気化するのに必要な熱量です。蒸発のモルエンタルピーとも呼ばれます。

水は蒸発するために熱を必要とします。その沸点 Tb の一定の温度と一定の圧力で、

H2O(l) ⎯→ H2O(g); Δ vapH=+ 40.79kJ mol-1

Δ vapH は、気化の標準エンタルピーです。

気化のエントロピーは次のように表すことができます:

ΔSvap=ΔHvapTvap

上記の式から、気化のエントロピーは気化熱を沸点で割った値に等しいと言えます。

水素結合液体 (水など) は、気化エントロピーの値が高くなります。

モルエンタルピー (Δ vapH) と蒸発のエントロピー (∆Svap) と一部の液体の沸点 (Tb) を以下に示します。

気体状態は液体状態よりもエントロピーが高いため、水の気化のエントロピー変化は常に正であることがわかります。

系のギブズ自由エネルギー

システムのギブス自由エネルギーは、プロセス中にシステムが利用できる、有用な仕事に変換できるエネルギーの最大量として定義されます。

ギブスの自由エネルギーは G で表されます。

G=H-TS

一定の温度と圧力でのギブス エネルギーの変化は次のように定義されます

ΔG=ΔH – TΔS

ギブス エネルギーの SI 単位は Jmol-1 または kJmol-1 です。

ΔG がゼロの場合、プロセスはすでに平衡状態にあり、時間の経過による正味の変化はありません。

相変化は、一定の圧力と温度で常に発生することに注意してください。相変化の間、両方の相が平衡状態で存在します。したがって、相変化の自由エネルギーはゼロです (ΔG =0)。

したがって、平衡状態で上記の式を次のように書くことができます。

ΔGvap=ΔHvap – Tvap ΔSvap =0

ここで、

T=ケルビン (K) で測定される絶対熱力学的温度

∆Svap=気化のエントロピー。

∆Hvap=蒸発エンタルピー

トルトンの法則

この規則によると、気化のエントロピーは、沸点での液体の種類が異なっても類似しています。つまり、値は約 85-88J/(K-mol) です。

トラウトンの法則は、ガス定数 R の関数として表すことができます。

ΔSvap10.5R

トラウトンの比率は、次のように表すこともできます。

LvapTboiling85-88JK.mol

トラウトンの法則は、以下に示すように多くの液体に有効です:

トルートンの法則は、既知の沸点を持つ液体の気化エンタルピーを決定するために使用されます。

トラウトンの法則の例外

結論

物質の温度は、その粒子の平均運動エネルギーに比例します。物質の温度を上げると、固体内の粒子の動きが増え、液体や気体内の粒子の動きが速くなります。高温では、原子の運動エネルギーも低温よりも高くなります。したがって、あらゆる物質のエントロピーは温度とともに増加すると言えます。