17.1:
Спонтанность
17.1:
Спонтанность
Спонтанный процесс происходит естественным образом при определенных условиях. С другой стороны, спонтанный процесс не будет происходить, если он не будет “вызван” непрерывным потреблением энергии из внешнего источника. Процессы имеют естественную тенденцию происходить в одном направлении при заданном наборе условий. Вода естественным образом будет течь вниз по склону (спонтанный процесс), но движение вверх по склону (неспонтанный процесс) требует вмешательства извне, например, использования насоса. Железо, подвергаясь воздействию земной атмосферы, будет разъедать (спонтанный процесс), но ржавчина не превращается в железо (неспонтанный процесс) без преднамеренной химической обработки. Процесс, который является спонтанным в одном направлении при определенном наборе условий, не является спонтанным в обратном направлении. Например, при комнатной температуре и типичном атмосферном давлении лед самопроизвольно тает, но вода не замерзнет.
Спонтанность не зависит от скорости реакции
Спонтанность процесса не коррелирует со скоростью процесса. Хотя катализатор может использоваться для ускорения или замедления процесса, его присутствие не влияет на спонтанность: Спонтанные реакции не могут быть сделаны спонтанными с помощью катализатора. Спонтанное изменение может быть настолько быстрым, что оно по существу является мгновенным или настолько медленным, что его невозможно наблюдать в течение какого-либо практического периода времени. Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, рассмотрите распад радиоактивных изотопов. Радиоактивный распад – это, по определению, спонтанный процесс, при котором ядра нестабильных изотопов испускают излучение, поскольку они преобразуются в более стабильные ядра. Все процессы распада происходят спонтанно, но скорости, при которых разложение изотопов варьируется в широких пределах. Технитий-99m — популярный радиоизотоп для медицинских исследований с визуализацией, который претерпевает относительно быстрое затухание и выставляет полусрок службы около шести часов. Уран-238 является самым обильным изотопом урана, и его распад происходит гораздо медленнее, проявляя полжизни более четырех миллиардов лет.
Рассеивание вещества и энергии
Рассмотрим изолированную систему, состоящую из двух плашков, Соединенных с закрытым клапаном. Изначально в одном флазке находится идеальный газ, а в другом — пустой. При открытии клапана газ спонтанно расширяется, чтобы равномерно заполнить обе заслонки. Поскольку система изолирована, тепло не было обменено с окружающей средой. Таким образом, спонтанность этого процесса не является следствием каких-либо изменений в энергии, сопровождающих этот процесс. Вместо этого движущая сила, по-видимому, связана с более большим, более равномерным рассеивением вещества, которое происходит, когда газ может расширяться.
Теперь рассмотрим два объекта при разных температурах: Объект X при температуре TX и объект Y при температуре TY, с TX > TY. При контакте этих объектов тепло спонтанно течет от более теплого объекта (X) к более холодному (Y). Это соответствует потере тепловой энергии на X и получению тепловой энергии на Y. с точки зрения этой двухобъектной системы не было никакого чистого прироста или потери тепловой энергии; скорее доступная тепловая энергия была перераспределена между двумя объектами. Этот спонтанный процесс привел к более равномерному рассеиванию энергии.
Как показали два процесса, важным фактором при определении спонтанности процесса является степень, в которой он изменяет рассеивание или распределение вещества и/или энергии. В каждом случае имел место спонтанный процесс, который привел к более равномерному распределению материи или энергии.
Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., Глава 16.1: Спонтанность.