Back to chapter

17.3:

Termodinamiğin İkinci Yasası

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Second Law of Thermodynamics

Languages

Share

Termodinamiğin birinci yasasına göre, bir sistemdeki enerji değişimi çevredeki enerji değişimine eşit ve zıttır. Sistem, bir fincan sıcak çaya bir buz küpü eklendiğinde, çay soğurken çevresi buz erir. Buz küpünün kazandığı ısı, çaydan kaybedilen ısıya eşittir.Isı transferinin yönü ne olursa olsun enerji korunur. Bununla birlikte, bir buz küpü eklemek çayı asla daha sıcak yapmaz çünkü aktarılan ısı miktarı ısının hangi yöne aktığını belirlemez. Entropideki ilişkili değişiklik, ısı transferinin ve diğer spontan reaksiyonların yönünü açıklamak için dikkate alınmalıdır.Termodinamiğin ikinci yasası, hem sistemin hem de çevrenin toplam entropisi olan evrenin entropisinin tüm spontan süreçler için arttığını belirtir. Bu, evrenin son ve başlangıç durumlarının entropisi arasındaki fark olan evrenin ΔS’sinin sıfırdan büyük olması gerektiği anlamına gelir. Entropi, enerji dağılımının bir ölçüsü olduğundan, evrenin enerjisinin başlangıçta olduğundan daha son durumda daha fazla dağıldığı bir süreç kendiliğinden olacaktır.Bir buz küpü eridiğinde, su molekülleri, sistemin entropisinde pozitif bir değişiklikle düzenli bir katıdan daha düzensiz bir sıvı haline değişir;su buzda donduğunda, sistemin ΔS’si negatiftir. HBununla birlikte, bu süreçlerin kendiliğinden olması için, evrenin entropisinin artması gerekir, bu nedenle bu işlemlerin kendiliğinden olup olmaması arasındaki fark çevrede olmalıdır. Su donduğunda çevreye ısı vererek çevredeki enerji dağılımını artırır.Evrenin ΔS’sinin pozitif olması için çevrenin ΔS’si pozitif olmalı ve sistemin ΔS’sinden daha büyük olmalıdır. Saf su yalnızca 0°C’nin altındaki sıcaklıklarda kendiliğinden donacaktır. Bunun nedeni, düşük sıcaklıklarda çevreye aktarılan ısının, daha yüksek sıcaklıklarda aktarılan aynı ısıdan daha büyük bir entropi değişikliğine yol açmasıdır.Çevrenin ΔS büyüklüğü, sistem tarafından aktarılan ısı ile doğru orantılıdır ve T sıcaklığı ile ters orantılıdır. Bu nedenle, sabit bir sıcaklık ve basınçta meydana gelen herhangi bir işlem için, çevrenin ΔS’si, ortama aktarılan ısının Kelvin cinsinden sıcaklığa bölünmesine eşittir.

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 S> 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:

  1. 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:

  1. 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.

  1. Nesneler esas olarak aynı sıcaklıktadır, TsysTsurr 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.