Что такое спонтанность: СПОНТАННОСТЬ | это… Что такое СПОНТАННОСТЬ?

Фазовая диаграмма для углерода указывает на то, что графит является стабильной формой этого элемента при окружающем атмосферном давлении, в то время как алмаз является стабильной аллотропной формой при очень высоких давлениях, таких как те, которые присутствуют во время его геологического формирования. Термодинамические расчеты, подобные описанным в последнем разделе этой главы, показывают, что превращение алмаза в графит при атмосферном давлении происходит самопроизвольно, однако наблюдается существование и сохранение алмазов в этих условиях. Хотя этот процесс происходит самопроизвольно в типичных условиях окружающей среды, его скорость крайне мала, поэтому для всех практических целей алмазы действительно «вечны». Подобные ситуации подчеркивают важное различие между термодинамическими и кинетическими аспектами процесса. В данном конкретном случае говорят, что бриллиантов 9.0284 термодинамически нестабилен , но кинетически стабилен в условиях окружающей среды.

Превращение углерода из аллотропа алмаза в аллотроп графита происходит самопроизвольно при атмосферном давлении, но его скорость неизмеримо медленна при низких и умеренных температурах. Этот процесс известен как графитизация , и его скорость может быть увеличена до легко измеримых значений при температурах в диапазоне 1000–2000 К. (кредитное фото «алмаз»: модификация работы «Fancy Diamonds»/Flickr; кредитное фото «графит»: модификация работы images-of-elements.com/carbon.php)

Поскольку мы расширяем наше обсуждение термодинамических концепций к цели предсказания спонтанности, рассмотрим теперь изолированную систему, состоящую из двух колб, соединенных с закрытым клапаном. Изначально слева — идеальный газ, а справа — вакуум ([ссылка]). Когда клапан открывается, газ самопроизвольно расширяется и заполняет обе колбы. Вспоминая определение работы давление-объем из главы о термохимии, обратите внимание, что никакой работы не было совершено, потому что давление в вакууме равно нулю.

\(w=\text{−}P\text{Δ}V=0\phantom{\rule{5em}{0ex}}\left(P=\text{0 в вакууме}\right)\)

Также обратите внимание, что, поскольку система изолирована, теплообмена с окружающей средой не происходит ( q = 0). Первый закон термодинамики подтверждает, что в результате этого процесса внутренняя энергия системы не изменилась.

\(\text{Δ}U=q+w=0+0=0\)

Таким образом, спонтанность этого процесса не является следствием какого-либо изменения энергии, сопровождающего процесс. Вместо этого движущая сила, по-видимому, связана с большее и более равномерное рассеивание материи в результате расширения газа. Изначально система состояла из одной колбы с веществом и другой колбы без ничего. После того, как произошел самопроизвольный процесс, вещество распределилось как более широко (заняв удвоенный первоначальный объем), так и более равномерно (находясь в равных количествах в каждой колбе).

Изолированная система состоит из идеального газа в одной колбе, соединенной закрытым клапаном со второй колбой, содержащей вакуум. Как только клапан открывается, газ самопроизвольно равномерно распределяется между колбами.

Теперь рассмотрим два объекта при разных температурах: объект X с температурой T _X и объект Y с температурой T _Y , причем T _X > Т _Д ([ связь]). Когда эти объекты соприкасаются, тепло самопроизвольно перетекает от более горячего объекта (X) к более холодному (Y). Это соответствует потере тепловой энергии на X и увеличению тепловой энергии на Y.

\({q}_{\text{X}}<0\phantom{\rule{2em}{0ex}}\text {и}\phantom{\rule{2em}{0ex}}{q}_{\text{Y}}=\text{−}{q}_{\text{X}}>0\)

С точки зрения этой системы с двумя объектами, не было чистого прироста или потери тепловой энергии, скорее доступная тепловая энергия была перераспределена между двумя объектами. Этот самопроизвольный процесс привел к более равномерному рассеиванию энергии .

Когда два объекта с разной температурой вступают в контакт, тепло спонтанно переходит от более горячего к более холодному объекту.

Как показывают два описанных процесса, важным фактором, определяющим спонтанность процесса, является степень, в которой он изменяет рассеивание или распределение материи и/или энергии. В каждом случае происходил самопроизвольный процесс, приводивший к более равномерному распределению вещества или энергии.

Перераспределение вещества во время самопроизвольного процесса
Опишите, как происходит перераспределение вещества, когда происходят следующие самопроизвольные процессы:

(a) Твердое вещество возгоняется.

(b) Газ конденсируется.

(c) Капля пищевого красителя, добавленная в стакан с водой, образует раствор однородного цвета.

Solution

(кредит a: модификация работы Дженни Даунинг; кредит b: модификация работы «Fuzzy Gerdes»/Flickr; кредит c: модификация работы Сахар Атва)

(a) Сублимация – это превращение твердого вещества (относительно высокой плотности) в газ (значительно меньшей плотности). Этот процесс приводит к гораздо большему рассеиванию вещества, так как молекулы будут занимать гораздо больший объем после перехода твердого тела в газообразное.

(b) Конденсация – это превращение газа (относительно низкой плотности) в жидкость (значительно большей плотности). Этот процесс дает гораздо меньшее рассеивание вещества, так как молекулы будут занимать гораздо меньший объем после перехода твердого тела в газообразное.

(c) Рассматриваемый процесс – разбавление. Молекулы пищевого красителя изначально занимают гораздо меньший объем (капля раствора красителя), чем они занимают после завершения процесса (в полном стакане воды). Следовательно, процесс влечет за собой большее рассеивание материи. Процесс может также давать более равномерное рассеяние вещества, так как в начальном состоянии системы присутствуют две области разной концентрации красителя (высокая в капле, нулевая в воде), а конечное состояние системы содержит одну концентрацию красителя через.

Проверьте свои знания
Опишите, как материя и/или энергия перераспределяются, когда вы выпускаете баллон со сжатым воздухом в комнату.

Ответ:

Это тоже процесс разбавления, аналогичный примеру (с). Это влечет за собой как большее, так и более равномерное рассеивание вещества, поскольку сжатый воздух в баллоне может расширяться в воздух с более низким давлением в помещении.

Химические и физические процессы имеют естественную тенденцию протекать в одном направлении при определенных условиях. Самопроизвольный процесс протекает без необходимости постоянного подвода энергии из какого-либо внешнего источника, в то время как несамопроизвольный процесс требует этого. Системы, подвергающиеся спонтанному процессу, могут испытывать или не испытывать прирост или потерю энергии, но они будут испытывать изменения в способе распределения материи и/или энергии внутри системы.

Что такое спонтанная реакция?

Реакция имеет естественную тенденцию к протеканию и протекает без постоянного поступления энергии из внешнего источника.

Что такое неспонтанная реакция?

Укажите, являются ли следующие процессы спонтанными или неспонтанными.

(a) Замерзание жидкой воды при температуре ниже точки замерзания

(b) Замерзание жидкой воды при температуре выше точки замерзания

(c) Сгорание бензина

(d) Мяч, подброшенный в воздух

(e) Капля дождя, упавшая на землю

(f) Ржавление железа во влажной атмосфере

(a) самопроизвольное; (б) неспонтанный; в) самопроизвольный; (г) неспонтанный; д) спонтанный; (f) самопроизвольный

Наполненный гелием воздушный шар самопроизвольно сдувается в течение ночи, когда атомы гелия диффундируют через стенку воздушного шара.