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自發過程
鎖定
自發過程(英語:spontaneous process),或自發程序,是系統隨時間釋放自由能、移往自由能更低且更加熱力學平衡的能量狀態的過程。自由能變化的正負值取決於熱力學的測量傳統,當系統釋放自由能,系統自由能變化為負值,而外界自由能變化為正值。隨着過程的條件不同,所採用的自由能也不相同。一般而言,過程的自發性只決定該過程是否“能夠”自發,但並不代表該過程“將會”發生。換句話説,自發性是必須的,但並不足以使過程發生。此外,自發性也無法決定該過程之速率快慢。比如説,於室温常壓下,鑽石轉化成石墨是一個自發的過程。儘管如此,這個自發過程卻是極緩慢的。
- 中文名
- 自發過程
- 外文名
- spontaneous process
- 例 子
- 水由高處流向低處的過程
- 定 義
- 不借助光、電等就能自動進行過程
- 特 點
- 體系對外部做功或放出熱量
自發過程基本性質
自然界中發生的變化是自發進行的。例如鐵在潮濕的空氣中生鏽,冰在常温下融化等。這種在一定條件下不需要外力作用就能進行的過程叫做自發過程。
2、自發過程均是不可逆過程。熱力系統經過一個自發過程後,若要使其反向進行恢復到初始狀態,則必須提供補償條件,這樣在外界必將留下不可逆的變化。
3、各種不可逆過程具有等效性。各種不可逆因素不是彼此獨立無關的,而都是相互關聯的。一個不可逆過程發生後,會留下某種不可逆變化,要使它恢復到原來的初始狀態,就必然引起第二個不可逆過程的發生,勢必產生另一個不可逆變化,要使第二個不可逆過程恢復到原來的初始狀態,就不可避免的引起第三個不可逆過程的發生,依此類推下去,最後必然有一個不可逆變化遺留下來。因此一切不可逆過程都可以相互代替,這正説明了一切不可逆過程在本質上是一樣的,等效的。
自發過程舉例
1、在一個箱子裏,中間用隔板隔開,設法使兩邊的氣體壓力不等。將隔板去掉後,壓力大的一方氣體將自動地向壓力小的一方流動,直到兩邊的壓力相等。在這個過程中,人們可以用它做功,如做膨脹功,壓力相等後,要想使它恢復到原來的狀態,即一方壓力大,另一方壓力小,除非人們對它做功,如用壓縮機將氣體從一方壓縮到另一方去,否則是不可能自動復原的。
2、兩個温度不同的物體接觸,熱就會自動地從高温物體傳向低温物體,直至温度相等為止。人們可以利用温度不等做功。温度相等後,要想使兩物體的温度再恢復到一高一低的原來狀態,必須對它做功,如用製冷機等,否則是不可能自動復原的。
自發過程變化量
過程為恆温恆壓時,能以吉布斯自由能決定其自發性,其數學式如下:
ΔG=ΔH-TΔS
由上式可知,吉布斯自由能(G)變化量之正負取決於焓(H)、熵(S)之變化量以及絕對温度(T)之大小。當絕對温度之值等於焓變化量對熵變化量之比值時,吉布斯自由能之變化量為零。
當過程之吉布斯自由能變化量為:
- 負值,該正向過程為自發。
- 正值,該正向過程為非自發,但反向過程為自發。
- 零,該過程處於熱力學平衡,系統隨時間無淨變化。
藉由上式,討論焓變化量與熵變化量對吉布斯自由能變化量之影響,分為四種情況:
- 當熵變化量大於零,且焓變化量小於零,過程必然自發。
- 當熵變化量小於零,且焓變化量大於零,過程必然不自發,但逆過程必然自發。
- 當熵變化量大於零,且焓變化量大於零,過程於高温狀態下自發、低温狀態下不自發。
- 當熵變化量小於零,且焓變化量小於零,過程於低温狀態下自發、高温狀態下不自發。
自發過程由熵決定
當利用熵變化量作為判斷過程自發性之函數時,需要特別留意系統與外界的定義。由熱力學第二定律,當孤立系統之熵值隨時間而增加,則該過程為自發。然而,當考慮之系統為開放或封閉時,總熵(包含系統熵與外界熵)需隨時間增加。其數學式應表示為:
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- 參考資料
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- 1. 關於自發過程教學的探索 .中國知網[引用日期2017-09-24]
- 2. 傅獻採,沈文霞,姚天揚,厚文華.物理化學:高等教育出版社 ,2006
- 3. 自發過程及其判據的討論 .中國知網[引用日期2017-09-24]
- 4. 莫鳳奎主編. 物理化學[M]. 北京:中國醫藥科技出版社, 2009:46-47
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