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17.1: 自发性
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自发性
 
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17.1: 自发性

自发过程是在特定条件下自然发生的过程。 另一方面,非自发过程将不会发生,除非它是由外部来源的能量持续输入“驱动”的。 在特定条件下,流程在一个方向上自然会发生。 水自然会下坡流动 (自发过程) ,但上坡流量 (非自发过程) 需要外部干预,如使用泵。 暴露在地球大气层中的铁会腐蚀 (自发过程) ,但如果不进行有意的化学处理,铁锈不会转化为铁 (非自发过程)。 在特定条件下,一个方向自发的过程在相反方向是非自发的。 例如,在室温和典型大气压力下,冰会自动融化,但水不会自动冻结。

自发性与率值的反应无关

流程的自发性流程的速度无关。 虽然催化剂可用于加速或减缓流程,但其存在不会影响自发性:非自发性反应不能使用催化剂自发产生。 自发的变化可能是如此迅速,基本上是瞬时的,或者如此缓慢,以至于在任何实际的时间里都无法观察到。 为了说明这一概念,请考虑放射性同位素的衰减。 根据定义,辐射衰减是一种自发过程,不稳定同位素的核在转换为更稳定的核时会发射辐射。 所有衰减过程都是自发发生的,但不同同位素衰减的速度差别很大。 锝-99m 是一种流行的放射性同位素,可用于医学成像研究,它可降低相对较快的衰减,并显示半衰期约为六小时。 铀 -238 是铀中最丰富的同位素,其衰变速度要慢得多,其半衰期超过 40 亿年。

物质和能量的耗散

考虑一个由两个烧瓶组成的隔离系统,该烧瓶与一个闭合的阀门相连。 最初,一个瓶中有一种理想的气体,另一个瓶中没有气体。 当阀门打开时,气体会自动膨胀以均匀填充两个瓶体。 由于系统是隔离的,因此没有与周围地区发生过热交换。 因此,这一过程的自发性不是随过程一起能量发生的任何变化的结果。 相反,当允许气体膨胀时,驱动力似乎与更大,更多的均匀物质耗散相关。

现在考虑两个不同温度的物体:物体 X 在温度为 TX 的情况下,物体 Y 在温度为 TY 的情况下,物体 X 在温度为 TX> TY 的情况下。 当这些物体接触到时,热量会自动从温度较高的物体 (X) 流向温度较低的物体 (Y)。 这相当于 X 造成的热能损失和 Y 造成的热能收益。 从这种双对象系统的角度看,热能没有净收益或损失;而可用的热能是在这两个对象之间重新分配的。 这一自发过程导致能量耗散更加统一

正如这两个流程所证明的,确定流程自发性的一个重要因素是它在多大程度上改变了耗散或物质和 / 或能量的分布。 在每种情况下,都发生了一个自发的过程,导致物质或能量的分布更加统一。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第 16.1 章:自发性。

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