Dispersia termodinamică a materiei și energiei

Extinzând discuția despre conceptele termodinamice către obiectivul de a prezice spontaneitatea, luăm în considerare acum un sistem izolat format din două baloane conectate printr-o supapă închisă. Inițial, există un gaz ideal într-un balon, iar celălalt balon este gol (P = 0). (Figura 16.4). Când supapa este deschisă, gazul se extinde spontan pentru a umple ambele baloane în mod egal. Reamintind definiția lucrului mecanic presiune-volum din capitolul despre termochimie, rețineți că nu s-a efectuat niciun lucru mecanic deoarece presiunea în vid este zero.

w = −PΔV = 0   (P = 0 în vid)

De asemenea, rețineți că, deoarece sistemul este izolat, nu s-a schimbat căldură cu mediul înconjurător (q = 0). Prima lege a termodinamicii confirmă că nu a existat nicio modificare a energiei interne a sistemului ca urmare a acestui proces.

ΔU = q + w = 0 + 0 = 0

Prin urmare, spontaneitatea acestui proces nu este o consecință a vreunei modificări a energiei care însoțește procesul. În schimb, forța motrice pare a fi legată de dispersia mai mare și mai uniformă a materiei care rezultă atunci când gazul este lăsat să se extindă. Inițial, sistemul era compus dintr-un balon care conținea materie și un alt balon care nu conținea nimic. După ce a avut loc expansiunea spontană, materia a fost distribuită atât mai larg (ocupând dublul volumului său inițial), cât și mai uniform (prezentă în cantități egale în fiecare balon).

Figura 16.4 Un sistem izolat constă dintr-un gaz ideal într-un balon care este conectat printr-o supapă închisă la un al doilea balon care conține un vid. Odată ce supapa este deschisă, gazul se distribuie spontan uniform între baloane.

Acum, luați în considerare două obiecte la temperaturi diferite: obiectul X la temperatura T_X și obiectul Y la temperatura T_Y, cu T_X > T_Y (Figura 16.5). Când aceste obiecte intră în contact, căldura curge spontan de la obiectul mai fierbinte (X) la cel mai rece (Y). Aceasta corespunde unei pierderi de energie termică cu X și unui câștig de energie termică cu Y.

q_X < 0 și q_Y = −q_X > 0

Din perspectiva acestui sistem cu două obiecte, nu a existat un câștig sau o pierdere netă de energie termică, ci mai degrabă energia termică disponibilă a fost redistribuită între cele două obiecte. Acest proces spontan a dus la o dispersare mai uniformă a energiei.

Figura 16.5 Când două obiecte la temperaturi diferite intră în contact, căldura se transferă spontan de la obiectul mai cald la cel mai rece.

Așa cum este ilustrat de cele două procese descrise, un factor important în determinarea spontaneității unui proces este măsura în care acesta modifică dispersia sau distribuția materiei și/sau energiei. În fiecare caz, a avut loc un proces spontan care a dus la o distribuție mai uniformă a materiei sau energiei.

EXEMPLUL 16.1 Redistribuirea materiei în timpul unui proces spontan Descrieți cum se redistribuie materia atunci când au loc următoarele procese spontane: (a) Un solid sublimează. (b) Un gaz se condensează. (c) O picătură de colorant alimentar adăugată într-un pahar cu apă formează o soluție cu o culoare uniformă. Soluție Figura 16.6 (Credit a: modificarea lucrării lui Jenny Downing; b: modificarea lucrării lui „Fuzzy Gerdes”/Flickr; c: modificarea lucrării lui Paul A. Flowers) (a) Sublimarea este conversia unui solid (densitate relativ mare) într-un gaz (densitate mult mai mică). Acest proces produce o dispersare mult mai mare a materiei, deoarece moleculele vor ocupa un volum mult mai mare după tranziția de la solid la gaz. (b) Condensarea este conversia unui gaz (densitate relativ mică) într-un lichid (densitate mult mai mare). Acest proces produce o dispersare mult mai mică a materiei, deoarece moleculele vor ocupa un volum mult mai mic după tranziția de la gaz la lichid. (c) Procesul în cauză este difuzia. Acest proces produce o dispersare mai uniformă a materiei, deoarece starea inițială a sistemului implică două regiuni cu concentrații diferite de colorant (ridicate în picătura de colorant, zero în apă), iar starea finală a sistemului conține o singură concentrație de colorant în tot sistemul. Exercițiu Descrieți cum se redistribuie energia atunci când o lingură la temperatura camerei este plasată într-o ceașcă de cafea fierbinte. Răspuns: Căldura va curge spontan de la obiectul mai fierbinte (cafeaua) la obiectul mai rece (lingura), rezultând o distribuție mai uniformă a energiei termice pe măsură ce lingura se încălzește și cafeaua se răcește.

 

Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2024 MultiMedia Publishing