Ентропия на неорганичната химия
ентропия
Ентропията (на гръцки en = in; trope = трансформация) е една от обширните променливи на състоянието от термодинамиката и има SI единица Joule/Kelvin (J/K). Той е въведен от РУДОЛФ КЛАВЗИЙ през 1884 г., когато той се опитва да опише процеси в топлинни и енергийни машини. LUDWIG BOLZMANN по-късно представи връзката с реда в системата, според която ентропията трябва да се разглежда като "мярка за разстройство". Например, на термодинамично равновесие може да се присвои определена стойност на ентропия за всяко състояние на равновесие.
В статичната физика ентропията описва колко обем на фазовото пространство може да бъде постигнат в системата. Той измерва състоянието на физическа система от голям брой отделни обекти. Следователно това е мярка за "незнанието на състоянието на всички отделни частици".
Подаване/отстраняване на топлина ⇒ промяна в ентропията
При поглъщане на топлина (но също и топене и кипене), ентропията, открита в системата, се увеличава, докато при отделянето на топлина ентропията намалява. Освен това, увеличаването на ентропията може да бъде причинено и от смесване, топлопроводимост или химическа реакция. Ентропия обаче възниква и когато механичната енергия се преобразува в топлинна енергия (например чрез триене).
Ако след това се добави топлина Q към система с температура T, това следва за увеличаване на ентропията:
Ето защо ендотермичните процеси често се извършват само при високи температури, тъй като подаването на определено количество топлина Q води до по-малко увеличение на ентропията при висока температура, отколкото при ниска температура.
Диаграма 1 (координатна система)
Поведение на ентропията при спонтанни процеси
Като цяло за промяната в ентропията във всички физични и химични процеси се прилага следното: ΔS = SB - SA
Тогава общата промяна е резултат от промените в промените в ентропията на околната среда или системата
ΔS общо = ΔS околна среда + ΔS система
При спонтанните процеси винаги има намаляване на общия ред в системата и в околната среда. Следователно, ясно увеличение на общата ентропия следва като характеристика на спонтанен процес. Общата промяна остава същата само ако системата и нейната среда остават в същото състояние.
Затворената система е специалност тук: В система, в която няма обмен на материя или топлина с околната среда, ентропията не може да намалее. Следователно общата ентропия на системата и нейното обкръжение не може да намалее ⇒ Втори закон на термодинамиката.
Поради тази причина процесите на образуване на ентропия се наричат необратими (необратими), тъй като, например, втора система, която абсорбира новосъздадената енергия, е необходима, за да обърне подобни процеси. Следователно ентропията може само да се увеличава, но не и да намалява с времето.
- Посоката и дължината на стрелките са показателни за знака и размера на промяната в ентропията.
- Разликата между стрелките показва, че общата ентропия винаги приема по-голяма стойност за спонтанни процеси.
1 ⇒ екзотермичен процес, при който ентропията на околната среда се увеличава поради отделянето на топлина
2 ⇒ също екзотермичен процес, при който обаче ентропията на системата намалява и следователно не е спонтанна (тук процесът трябва да бъде принуден от свързана система, чиято ентропия се увеличава)
2 ⇒ ендотермичен процес, който обаче протича отново спонтанно, поради което ентропията в системата се увеличава значително чрез добавяне на топлина
Има обаче и ситуации, при които ентропията не може да бъде намалена чрез отделяне на топлина от системата. Такъв е случаят, когато ентропията на системата е нула. Поради тази причина ентропията при абсолютна нула, т.е. T = 0K, е нула за идеално кристализирали чисти вещества.
Нарича се и това явление Трети закон на термодинамиката определен.
Ентропия в химичните реакции
На всяко вещество може да се присвои стандартна моларна ентропия Sm0. Това се отнася за стандартните условия и може да се търси в таблици.
Ако са известни моларните стандартни ентропии на изходните материали и продукти, стандартната ентропия на реакцията ΔrS0 може да бъде определена чрез изчисление по начин, аналогичен на реакционните ентропии:
с Δni като промяна в количеството на веществото, което има отрицателен знак за изходните материали и положителен знак за продуктите.
Това важи и за химичните реакции:
Общата ентропия на реагиращата система и околната среда се увеличава със спонтанни химични реакции.
Ентропиите ΔS на органичните вещества в стандартно състояние при 298,15 Келвина (25 ° C) и 101,3 kPa могат да бъдат намерени в таблици като тази:
ΔS = ∑ ΔS (продукти) - ∑ ΔS (изходни материали)
ΔS = 2mol · 214 J/mol · K + 3mol · 189 J/mol · K - 283 J/mol · K · 1mol -
ΔS = 97 J/K (газообразна вода) ⇒ увеличаване на ентропията
ΔS = -260 J/K (течност. Вода) ⇒ намаляване на ентропията
ΔH = ∑ ΔfH (продукти) - ∑ ΔfH (възпитава) ⇒ изчисляване на стандартната енталпия на формацията
Течна вода: ΔH = 2 mol (-393 kJ/mol) + 3 mol (-286 kJ/mol)
- 1mol · (-235 kJ/mol) - 3mol · 0 kJ/mol
ΔG = ΔH - T · ΔS ⇒ изчисляване на свободната енталпия
ΔG = -1409 kJ - 298,15K (-260 J/K) = -1331,48 kJ (течна вода)