16 December 2015

The Laws of Thermodynamics, Entropy, and Gibbs Free Energy

We've all heard of the Laws of Thermodynamics, but what are they really? What the heck is entropy and what does it mean for the fate of the universe?

Ben profesör Dave, hadi termodinamik yasalarını öğrenelim.

Termodinamiğin yasaları neden enerjinin belirli bir yönde ve belirli bir şekilde aktığını anlamamıza yardımcı olur. Termodinamik ile açıklanan kavramların çoğu akla yakın geliyor, gelin görün ki sezgi yoluyla anlaşılan düzeyin altında yatan, onu sistemleri tanımlamada ve tahminlerde bulunmada çok güçlü kılan bir matematik katmanı var. Matematiğe girmeyeceğiz, ancak bu yasaları kavramsal olarak ifade edebiliyor olmalıyız. En basit şekilde tarif edilmiş olan ilk yasa, enerjinin korunumunu vurgulamaktadır. Enerji yaratılmaz veya yok edilemez, sadece form değiştirir, Potansiyel enerjiden kinetik enerjiye, ısı enerjisine vb. Biz bunun kuantum seviyesinde doğru olmadığını keşfettiğimiz halde, kimyacılar için gayet iyi işler. Bununla birlikte, enerjinin bir formdan diğerine geçmesinde tercih edilen bir istikamet var gibidir. Bunun nedenini anlamak için 2. yasaya bakarız. 2. yasa yeni bir kavram ortaya koyar: Entropi entropinin anlaşılması oldukça zordur ama onu en rahatça düzensizlik olarak tanımlayabiliriz. ve 2. yasa, bir sistemin ve çevresinin entroplerinin toplamının her zaman artması gerektiğini belirtir. Başka bir deyişle, entropi yani evrenin düzensizliği her zaman artmaktadır. Sistem içerisinde ayrıca daha yüksek entropiye doğru gitmeye yönelik bir eğilim vardır. Klasik benzetme yatak odanızın zaman içerisinde dağınık hale gelmesi ama aniden derli toplu olmayışıdır. Buna bir diğer açıdan bakıldığında, entropi sistemin enerji içerebildiği durumlar arasında sistemin enerjisinin nasıl dağılacağının bir ölçüsüdür. Yine bir başka yol da entropik durumları bilgisayar koduna benzetmektir. Aynı maddenin sıvı haline kıyasla, iyonik bir katıyı örnek olarak alalım. Açık bir şekilde, katı hal daha düzenli ve sıvı hal daha düzensiz ya da entropice daha yüksektir. Bilgisayar kodu kullanarak katı hali tanımlamak için (kristal) kafesin geometrisini, moleküller arası mesafeleri, her molekülün kesin konfigürasyonunu ve diğer birçok şeyi tanımlayan terimler eklemeniz gerekir. Ancak sıvı hali tanımlamak için sadece sıvının hacmini ve kabın şeklini tanımlamaya ihtiyacınız vardır. Çünkü moleküllerin hareketi ve konfigürasyonu rastgeledir. Kodlamada ihtiyaç duyulan çok daha az bilgi,

bir sistemin entropisini arttırmanın neden termodinamik açıdan elverişli olduğunu rasyonelleştirmenin bir yoludur. Entropik etkiyi vurgulamak için her türlü prosese bakabiliriz. Isı, sıcak bir fincandan masaya veya elinize akacaktır Çünkü ısı enerjisi daha fazla dağılırsa daha fazla düzensizleşir. Bu, ısının kendiliğinden aksi yönde değil, sıcaktan soğuğa doğru akmasının nedenidir. Entropi Üçüncü yasa, mutlak sıfırdaki mükemmel kristalin bir katının sıfır entropiye sahip olduğunu belirtir. Bu maddenin bulunabileceği en düzenli durum olduğu için böyledir. Entropi, Joule bölü Kelvin cinsinden ölçülür. Entropinin, enerjinin kendisinin değil, enerjinin bir sistem içinde nasıl dağıldığının bir ölçüsü olduğunu unutmayın. Daha önce öğrendiğimiz termodinamik nicelik Entalpi, bir sistemin enerjisini daha doğru tarif eder. Göreceğimiz gibi, entalpi ve entropi bize bir sistemin Gibbs serbest enerjisi hakkında bir şeyler söyleyen karmaşık bir ilişki içerisindedir. G, ya da Gibbs serbest enerjisi, bize bir sürecin spontane bir şekilde olup olmayacağını yani basitçe kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşmeyeceği söyler. Gibs serbest enerjisindeki değişim bu denklemle ifade edilir. ki o da, entalpideki değişimi, entropideki ve sıcaklıktaki değişimleri içerir. Eğer delta G negatifse süreç kendiliğinden gerçekleşir, eğer pozitifse kendiliğinden gerçekleşmez Dolayısıyla, bu denklemi kendiliğinden gerçekleşen bir prosesin entalpisek veya entropisel açıdan veya her iki açıdan da ne derece elverişli olduğunu anlamak için kullanırız. örneğin delta H negatifse, ekzotermik ve enerjisel açıdan uygun anlamına gelir, ve delta S pozitifse, bu da entropide bir artış anlamına gelir ki o da avantajlıdır, negatif eksi pozitif her zaman negatif olacaktır yani süreç kendiliğinden gerçekleşir. Eğer zıttı doğruysa ve her ikisi de elverişsiz ise, pozitif eksi negatif her zaman pozitif olur yani kendiliğinden gerçekleşmez. İkisinden yalnızca biri elverişliyse, biraz matematik yapmamız gerekir. Eğer delta H pozitif veya endotermik ise, bu enerjik elverişsizlik karşısında diğer terim ağır basabilir, tabi süreç entropik açıdan elverişliyse ve T burada olduğundan, bu faktör daha büyük bir T ile artacaktır.

Bu yüzden, entropik olarak elverişli işlemlerin yüksek sıcaklıklarda kendiliğinden gerçekleşme olasılığı daha yüksektir. Tam tersine, eğer enerjisel olarak elverişli fakat entropik olarak elverişsiz ise, entropik elverişsizlik, düşük sıcaklıklarda en aza indirgenecektir. Bu, anlaşılması oldukça önemli bir denklem çünkü evrendeki tüm spontane süreçleri açıklar. Entropiyi ve termodinamiğin ikinci yasasını, yanlış bir biçimde, bir düzenin kendiliğinden gerçekleşmeyeceğine işaret etmek için kullananlar var. Fakat biz az önce, entropik olarak elverişli olmayan işlemlerin, enerjisel olarak elverişli oldukları takdirde düşük sıcaklıklarda kendiliğinden olabileceğini gösterdik. Sabun buna bir örnektir. polar olmayan kirleri ve pislikleri ellerinizden arındırmak için sabuna ihtiyacınız vardır çünkü bunlar, polar su molekülleriyle birbirine karışmaz. fakat sabun molekülleri, kutuplu başlara ve uzun kutupsuz kuyruklara sahiptir bu da, misel adı verilen yapıları kendiliğinden oluşturmalarına izin verir Miseller sabun moleküllerinin, su molekülleri ile iyon-dipol etkileşimlerini en üst düzeye çıkarmak için kendilerini kutup başları dışarı bakacak şekilde yönlendirdikleri sistemi daha düşük enerjili hale getiren kürelerdir. Ayrıca, kutuplu olmayan kuyrukların tümü, van der Waals etkileşim ağı kurarak kiri hapsederler. miseller içinde hapsolan kir suyla uzaklaştırılır, çünkü kutup başları dışarı bakan miseller bir bütün olarak suda çözünüler İşte sabun böyle çalışır bu aynı zamanda, entalpisel olarak elverişli veya enerji depolayan süreçlerle, çok düzenli yapıların kendiliğinden nasıl meydana gelebileceğini gösterir. Bu yolla, sistemler küçük ölçekte entropiye meydan okuyabilirler, ancak ikinci yasa, evrenin entropisinin her zaman artmakta olduğu gerçeğini saklı turar. Hadi anlaşıldı mı kontrol edelim! Aşağıdaki veriler göz önüne alındığında, bu reaksiyon için delta G değerini hesaplayın ve kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşmediğini belirtin Reaksiyon kendiliğinden gerçekleşir İzlediğiniz için teşekkürler millet, daha fazla öğretici içerik için kanalıma abone olun ve her zaman olduğu gibi, bana e-posta göndermekten çekinmeyin