ترمودینامیک شاخهای از علم شیمی و فیزیک است که به بررسی تغییرات انرژی، گرما و کار در واکنشهای شیمیایی و فرآیندهای فیزیکی میپردازد. شاید در نگاه اول واژه ترمودینامیک پیچیده به نظر برسد، اما درک اصول چهارگانه آن به ما کمک میکند بفهمیم چرا برخی از واکنشها خودبهخود انجام میشوند و چرا برخی دیگر نیاز به صرف انرژی دارند. در این مقاله از شیمی ارت، قوانین ترمودینامیک را به زبان ساده و کاربردی بررسی میکنیم.
سیستم و محیط در ترمودینامیک
پیش از بررسی قوانین، باید دو مفهوم کلیدی را بشناسیم:
-
سیستم (System): بخش مشخصی از جهان که ما در حال مطالعه آن هستیم (مانند محتویات درون یک لوله آزمایش یا ظرف واکنش).
-
محیط (Surroundings): تمام بخشهای جهان که در اطراف سیستم قرار دارند و با آن انرژی یا ماده مبادله میکنند.
قانون صفرم ترمودینامیک (تعادل گرمایی)
این قانون مفهوم «دما» را تعریف میکند. قانون صفرم بیان میکند که اگر دو سیستم با سیستم سوم در تعادل گرمایی باشند، با یکدیگر نیز در تعادل گرمایی قرار دارند. به زبان ساده، اگر دماسنج را در تماس با جسم اول بگذاریم و عدد مشخصی را نشان دهد، و همان دماسنج برای جسم دوم همان عدد را ثبت کند، دمای دو جسم برابر است و اگر در کنار هم قرار گیرند، هیچ تبادل گرمایی بین آنها رخ نمیدهد.
قانون اول ترمودینامیک (پایستگی انرژی)
قانون اول ترمودینامیک همان قانون آشنای پایستگی انرژی است که به فرم شیمیایی بیان میشود: انرژی نه به وجود میآید و نه از بین میرود، بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود.
در یک واکنش شیمیایی، مجموع انرژی کل سیستم و محیط همواره ثابت است. تغییر انرژی درونی یک سیستم ($Delta U$) از رابطه زیر به دست میآید:
-
$q$: گرمای مبادله شده بین سیستم و محیط.
-
$w$: کار انجام شده روی سیستم یا توسط سیستم.
اگر واکنشی گرما آزاد کند (گرمازا)، انرژی از سیستم به محیط منتقل میشود و اگر گرما جذب کند (گرماگیر)، انرژی از محیط وارد سیستم میشود.
قانون دوم ترمودینامیک (جهت انجام واکنشها و انتروپی)
قانون اول به ما میگوید انرژی پایسته است، اما نمیگوید چرا برخی فرآیندها تنها در یک جهت خاص بهودی انجام میشوند (مثلاً یک تکه یخ در اتاق گرم ذوب میشود، اما آب ذوبشده به خودی خود یخ نمیزند). پاسخ این پرسش در قانون دوم ترمودینامیک و کمیتی به نام انتروپی (Entropy با نماد $S$) نهفته است.
انتروپی معیاری برای سنجش بینظمی، آشفتگی یا پراکندگی انرژی در یک سیستم است. قانون دوم بیان میکند که در هر فرآیند خودبهخودی، انتروپی کل جهان (سیستم به علاوه محیط) همواره افزایش مییابد.
به عنوان مثال، وقتی یک جامد بلوری حل میشود یا مایعی تبخیر میشود، ذرات آزادی عمل بیشتری پیدا میکنند و بینظمی (انتروپی) افزایش مییابد.
قانون سوم ترمودینامیک (صفر مطلق)
قانون سوم ترمودینامیک به رفتار مواد در پایینترین دمای ممکن میپردازد. این قانون بیان میکند که انتروپی یک ماده بلوری خالص در دمای صفر مطلق (صفر کلوین یا منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتیگراد) برابر با صفر است.
در این دما، حرکت حرارتی اتمها و مولکولها به حداقل ممکن میرسد و سیستم در منظمترین حالت ممکن خود قرار دارد. این قانون به شیمیدانان اجازه میدهد تا مقدار انتروپی مطلق مواد را در دماهای بالاتر محاسبه کنند.
انرژی آزاد گیبس ($G$): معیاری برای خودبهخودی بودن
برای پیشبینی اینکه آیا یک واکنش شیمیایی در دما و فشار ثابت بهودی انجام میشود یا خیر، از کمیتی به نام انرژی آزاد گیبس استفاده میکنیم که ترکیبی از آنتالپی (گرما) و انتروپی است:
-
اگر $Delta G$ منفی باشد، واکنش خودبهخود است.
-
اگر $Delta G$ مثبت باشد، واکنش غیرخودبهخود است.
-
اگر $Delta G$ صفر باشد، واکنش در حالت تعادل قرار دارد.
سخن پایانی
قوانین ترمودینامیک پایههای اصلی درک رفتار مواد و انجام واکنشهای شیمیایی هستند. از محاسبه گرمای تولید شده در سوختن سوختها تا بررسی پایداری مواد دارویی، همگی به این قوانین وابستهاند. ما در شیمی ارت تلاش میکنیم تا با زبانی ساده و علمی، پیچیدهترین مفاهیم شیمی را برای شما عزیزان رمزگشایی کنیم تا مسیر یادگیری و پژوهش لذتبخشتر شود.
بدون دیدگاه