反応の自発性の方向と結果を示すために、熱力学に新しい状態関数が導入されました。状態関数は、内部エネルギー (U)、エンタルピー (H)、ギブズの自由エネルギー (G)、エントロピー (S) などのシステムの状態を決定するのに役立つ物理的特性です。状態関数は、システムがたどる経路に関係なく、初期量と最終量のみを考慮して量の変化を計算できる関数であり、有限変化 (Δ) として表されます。これに対して、work(w)のように、変化をもたらす経路に依存する経路関数があります。
自発性は、一般的な反応に適用できる自発性の特性です。反応は、それ自体で発生するか、加熱や触媒などの外力によって発生するかによって、自発的または非自発的になる可能性があります。自発的な反応はすぐに発生する傾向があり、通常は高速な反応です。非自発的な反応はほとんどの場合遅く、製品への反応を促進するための推進力が必要です。
熱力学の第一法則
熱力学の第 1 法則は、システムの熱量とシステムの仕事の間の関係を説明しています。つまり、熱はシステムによって吸収されるか、システムによって放出され、仕事はシステムによって行われます。システムまたはシステム上で行われます。したがって、兆候が言及されています:
システムによって行われた作業 (-w)
システムで行われた作業 (+w)
システムが吸収した熱 (+q)
システムによって発生した熱 (-q)
熱力学の第一法則は、反応の方向に関して何も述べていません.
内容の説明
熱は一方向にのみ流れると言われています。つまり、熱い物体から冷たい物体へと流れます。ガスボンベを空にする、熱いコーヒーカップからの熱伝達などのすべての自然なプロセスは、一方向にのみ発生します。このような反応は、外部ソースを使用して停止または逆転させない限り、停止または逆転できない不可逆反応と言われています。すべての自然発生的な反応は不可逆的で、一方向にのみ発生し、外部の支援なしに自然に元に戻すことはできません.
例:山から水が落ちるのは自然で自発的なもので、一方向にしか起こりませんが、水が地面から丘に移動するにはエネルギー源が必要です。つまり、滝は自然発生的ですが、水が上り坂に移動するのは自然発生的ではありません。反応の自発性は、反応の方向を説明する熱力学の第 2 法則に関連しています。
熱力学第二法則
熱力学第二法則には多くの定義があります。孤立したシステムのすべての熱エネルギーを仕事に変換できないことを示すのは、システムの熱と仕事の間の関係です。第 2 法則は、反応が禁止されているかどうかを予測するエントロピーの概念を導入します。ただし、熱力学の第 1 法則であるエネルギー保存の法則に従い、自発的なプロセスの予測に必要な基準を提供します。
エントロピーは自発性の基準ですか?
エントロピー (S) は、システムの無秩序の尺度です。通常、エントロピーは、システムと周囲のエントロピーを考慮し、温度変化を伴う不可逆システムを合計することで計算できます。
ΔSirr =S syst + S surr
自発的なプロセスの推進力
ΔH =0 の反応を考えてみましょう。これは、エンタルピー (H) に変化がないことを意味しますが、それでもプロセスは自発的です。これを理解するために、密閉された隔離された容器内で 2 つのガスを混合することを考えることができます。そこでは、異なるガスの粒子が混合され、システムのランダム性が向上します。化学反応では、反応物と生成物の配置が異なる原子と分子のランダム性について話します。反応のランダム性が高い場合、エントロピーは大きく、ランダム性が低い場合、エントロピーも低い値になります。
システムに熱が加えられると、粒子はエネルギーを獲得し、自由かつランダムに互いに離れて移動します。全方向、ランダム性を高めます。そのため、温度が高いシステムほど、エントロピーまたはランダム性が高くなります。低温でシステムに供給される熱は、高温で供給される熱よりも大きなエントロピーを生成します。
ΔS =qrev/T
自発的なプロセスのエントロピーの全体的な変化は次のとおりです:
ΔStotal =ΔSsys + ΔSsurr> 0
自発的なプロセスのエントロピーは、正の値である 0 より大きいと言われています。
システムが平衡状態にあるとき、エントロピーは最大であると言われ、エントロピーの変化は 0 です。
ΔS =0
自発的なプロセスのエントロピーは、エントロピーの変化が 0 になる最大値と平衡と呼ばれる状態に達するまで増加します。
可逆プロセスの場合、エントロピーは次の式を使用して計算できます:
ΔSsys=qrev.sys/T
等温条件下での気体の可逆膨張と不可逆膨張の式は ΔU =0 ですが、ΔStotal =ΔSsys + ΔSsurr は 0 ではありません。したがって、ΔS は、可逆プロセスと不可逆プロセスを予測する基準として使用できます。
エントロピーサイン:
自発的なプロセスのエントロピーは高く、ゼロよりも大きいため、正の符号 ΔS =+ve を取ります。
これは、自発的なプロセスでランダム性が増加することを意味します.
例:角氷が溶けるとき、外部からの助けなしに急速に溶けて液体になるのを常に観察しますが、液体が氷の形になるにはある程度の力が必要です。したがって、氷から液体への変化は自然発生的であり、粒子は氷の中で秩序を保ち、液体の水ではよりランダムになります。このプロセスは、ランダム性が高まる方向に進んでいます。したがって、エントロピーは正の値です。
非自発的なプロセスのエントロピーは低く、0 より小さいため、負の符号 ΔS =-ve を取ります。
例:液体を加熱すると、加熱されて蒸気が形成されます。液体粒子は、蒸気の形よりも秩序立っています。
負のエントロピーとは、システムのエントロピーが減少すると、粒子がより規則的に配置されることを意味します。たとえば、凍結プロセスでは、水の粒子が自由に流れ、氷の粒子が詰め込まれた状態で水が氷になります。システムの変更は、ランダムな方法から組織的な方法へです。このような場合、エントロピーは初期よりも減少し、負になります。蒸気の凝縮、凝固などのその他のプロセス
負のエントロピーを達成するにはどうすればよいですか?
自然または自発的なプロセスはそれ自体で発生しますが、非自発的なプロセスが発生するには外部からの支援が必要です。例:水が氷になるのは自発的ではありません。冷蔵庫で凍らせるには電気エネルギーが必要です。同様に、井戸から頭上のタンクへの水は、モーターで汲み上げるために電気が必要です。すべての非自発的なプロセスでは、システムが外部エネルギーを必要とするランダムな方法から秩序だった方法に変わり、エントロピーが減少し、すべての不自然または非自発的なプロセスで負になるという性質に反してプロセスが発生します。
結論
エントロピーは、システムの無秩序の尺度です。システムと周囲のエントロピーを考慮し、温度変化を伴う不可逆システムを合計することで計算できます。エントロピーは正にも負にもなり得ます。自発的なプロセスでは、エントロピーが高い場合は正の符号を取り、非自発的なプロセスではエントロピーが低い場合は負の符号を取ります.
