17.3:
Termodinamiğin İkinci Yasası
17.3:
Termodinamiğin İkinci Yasası
Bir sürecin spontanlığı güvenilir bir şekilde tahmin edebilecek bir özelliği belirleme arayışında, umut verici bir aday tanımlanmıştır: entropi. Sistemin entropisinde bir artış içeren süreçler (ΔS> 0) çok sık spontandır; bununla birlikte, aksine örnekler bol miktarda bulunur. Entropi değişikliklerinin çevresini içerecek şekilde genişletilmesiyle, bu özellik ile spontanlık arasındaki ilişki ile ilgili önemli bir sonuca varılabilir. Termodinamik modellerde, sistem ve çevre her şeyi, yani evreni içerir ve bu nedenle aşağıdakiler doğrudur:
Bu ilişkiyi göstermek için, biri sistem, diğeri çevre olarak tanımlanan iki nesne arasındaki ısı akış sürecini tekrar düşünün. Böyle bir işlem için üç olasılık vardır:
- Nesneler farklı sıcaklıklardadır ve ısı daha sıcak olandan daha soğuk olan nesneye akar. Bu her zaman kendiliğinden ortaya çıkar. Daha sıcak olan nesneyi sistem olarak tanımlamak ve entropi tanımını çağırmak aşağıdakileri verir:
−qsys ve qsys’nin büyüklükleri eşittir, zıt aritmetik işaretleri, sistem tarafından ısı kaybını ve çevre tarafından ısı kazancını gösterir. Bu senaryoda Tsys > Tsurr olduğu için sistemin entropi azalması, çevrenin entropi artışından daha az olacaktır ve bu nedenle evrenin entropisi artacaktır:
- Nesneler farklı sıcaklıklardadır ve ısı, daha soğuktan daha sıcak nesneye akar. Bu hiçbir zaman kendiliğinden oluşmaz. Yine daha sıcak nesneyi sistem olarak belirtmek ve entropi tanımını çağırmak aşağıdakileri verir:
Qsys aritmetik işaretleri, sistem tarafından ısı kazancını ve çevre tarafından ısı kaybını gösterir. Çevre için entropi değişiminin büyüklüğü yine sistem için olandan daha büyük olacaktır, ancak bu durumda, ısı değişikliklerinin belirtileri (yani, ısı akışının yönü) ΔSuniviçin negatif bir değer verecektir. Bu süreç, evrenin entropisinde bir azalmayı içerir.
- Nesneler esas olarak aynı sıcaklıktadır, Tsys ≈ Tsurr ve bu nedenle entropi değişikliklerinin büyüklükleri hem sistem hem de çevre için esas olarak aynıdır. Bu durumda, evrenin entropi değişimi sıfırdır ve sistem dengededir.
Bu sonuçlar, termodinamiğin ikinci yasası olarak bilinen entropi ve spontanlık arasındaki ilişki hakkında derin bir ifadeye yol açar: tüm spontan değişiklikler evrenin entropisinde bir artışa neden olur. Bu üç ilişkinin bir özeti aşağıdaki tabloda verilmiştir.
| Termodinamiğin İkinci Yasası | |
| ΔSuniv > 0 | spontan |
| ΔSuniv < 0 | non-spontan (ters yönde spontan) |
| ΔSuniv = 0 | dengede |
Birçok realistik uygulama için, çevre sisteme kıyasla çok geniştir. Bu gibi durumlarda, bazı işlemlerin bir sonucu olarak çevre tarafından kazanılan veya kaybedilen ısı, toplam termal enerjisinin çok küçük, neredeyse sonsuz küçük bir kısmını temsil eder. Örneğin, havadaki bir yakıtın yanması, bir sistemden (reaksiyona giren yakıt ve oksijen molekülleri) sonsuz derecede daha büyük olan çevreye (dünyanın atmosferi) ısı transferini içerir. Sonuç olarak, qsurr, qsys‘nin iyi bir yaklaşımıdır ve ikinci yasa aşağıdaki gibi belirtilebilir:
Bu denklem, bir sürecin spontanlığını tahmin etmek için kullanışlıdır.
Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.2: The Second and Third Law of Thermodynamics.