Ентропія неорганічної хімії
ентропія
Ентропія (грец. En = in; trope = перетворення) є однією з великих змінних стану з термодинаміки і має одиницю СІ Джоуль/Кельвін (J/K). Він був введений РУДОЛЬФОМ КЛАВІЮСОМ у 1884 році, коли він спробував описати процеси в теплових та енергетичних машинах. Пізніше Людвіг БОЛЦМАНН представив взаємозв'язок із порядком у системі, згідно з яким ентропію слід розглядати як "міру безладу". Наприклад, термодинамічній рівновазі можна присвоїти конкретне значення ентропії кожному стану рівноваги.
У статичній фізиці ентропія описує, скільки обсягу фазового простору можна досягти в системі. Він вимірює стан упорядкованості фізичної системи з великої кількості окремих об’єктів. Таким чином, це міра "незнання стану всіх окремих частинок".
Подача/відведення тепла ⇒ зміна ентропії
При поглинанні тепла (але також при плавленні і кипінні) ентропія, що знаходиться в системі, збільшується, тоді як при виділенні тепла ентропія зменшується. Крім того, збільшення ентропії також може бути викликане змішуванням, теплопровідністю або хімічною реакцією. Але ентропія також виникає при перетворенні механічної енергії в теплову (наприклад, через тертя).
Якщо потім додати тепло Q до системи з температурою T, то для збільшення ентропії це випливає:
Ось чому ендотермічні процеси часто проводяться лише при високих температурах, оскільки подача певного тепла Q призводить до меншого збільшення ентропії при високих температурах, ніж при низьких.
Діаграма 1 (система координат)
Поведінка ентропії в спонтанних процесах
Загалом, до зміни ентропії у всіх фізико-хімічних процесах застосовується наступне: ΔS = SB - SA
Тоді загальна зміна є результатом змін в змінах ентропії середовища або системи
Загальний ΔS = ΔS середовище + ΔS система
У разі стихійних процесів завжди спостерігається зниження загального порядку в системі та в навколишньому середовищі. Отже, чітке збільшення загальної ентропії випливає як характеристика спонтанного процесу. Загальна зміна залишається незмінною лише в тому випадку, якщо система та її середовище залишаються в одному стані.
Закрита система тут є особливістю: в системі, в якій немає обміну речовини або тепла з навколишнім середовищем, ентропія не може зменшуватися. Отже, загальна ентропія системи та її середовища не може зменшуватися ⇒ Другий закон термодинаміки.
З цієї причини процеси утворення ентропії називають незворотними (незворотними), оскільки, наприклад, для зворотних процесів потрібна друга система, яка поглинає новостворену енергію. Тому ентропія може лише збільшуватися, але не зменшуватися з часом.
- Напрямок і довжина стрілок вказують на знак і величину зміни ентропії.
- Різниця між стрілками показує, що загальна ентропія завжди набуває більшого значення для спонтанних процесів.
1 ⇒ екзотермічний процес, при якому ентропія середовища збільшується за рахунок виділення тепла
2 ⇒ також екзотермічний процес, в якому, однак, ентропія системи зменшується і, отже, не є спонтанною (тут процес повинен бути змушений пов'язаною системою, ентропія якої збільшується)
2 ⇒ ендотермічний процес, який, проте, знову відбувається спонтанно, саме тому ентропія в системі значно збільшується за рахунок додавання тепла
Однак бувають також ситуації, коли ентропію не можна зменшити, виділяючи тепло із системи. Це той випадок, коли ентропія системи дорівнює нулю. З цієї причини ентропія за абсолютного нуля, тобто T = 0K, дорівнює нулю для ідеально кристалізованих чистих речовин.
Це явище також називають Третій закон термодинаміки призначений.
Ентропія в хімічних реакціях
Для кожної речовини може бути призначена стандартна молярна ентропія Sm0. Це стосується стандартних умов і можна переглянути в таблицях.
Якщо молярні стандартні ентропії вихідних матеріалів та продуктів відомі, стандартну ентропію реакції ΔrS0 можна визначити математично способом, аналогічним реакційним ентропіям:
з Δni як зміна кількості речовини, що має негативний знак для вихідних матеріалів і позитивний знак для продуктів.
Це також стосується хімічних реакцій:
Повна ентропія реакційної системи та середовища збільшується при стихійних хімічних реакціях.
Ентропії ΔS органічних речовин у стандартному стані при 298,15 Кельвіна (25 ° C) і 101,3 кПа можна знайти в таких таблицях:
ΔS = ∑ ΔS (продукція) - ∑ ΔS (вихідні матеріали)
ΔS = 2 моль · 214 Дж/моль · K + 3 моль · 189 Дж/моль · K - 283 Дж/моль · K · 1 моль -
ΔS = 97 Дж/К (газоподібна вода) ⇒ збільшення ентропії
ΔS = -260 Дж/К (рідина. Вода) ⇒ зменшення ентропії
ΔH = ∑ ΔfH (продукти) - ∑ ΔfH (виховує) ⇒ розрахунок стандартної ентальпії пласта
Рідка вода: ΔH = 2 моль (-393 кДж/моль) + 3 моль (-286 кДж/моль)
- 1 моль * (-235 кДж/моль) - 3 моль * 0 кДж/моль
ΔG = ΔH - T · ΔS ⇒ розрахунок вільної ентальпії
ΔG = -1409 кДж - 298,15 К (-260 Дж/К) = -1331,48 кДж (рідка вода)