Válts MeRSZ+ -ra!

MeRSZ online
okoskönyvtár

Több száz tankönyv egy helyen.
Online. Bárhol. Bármikor.

Erdődi Ferenc, Gergely Pál, Vereb György

Általános és bioszervetlen kémia

Az entrópia és a termodinamika II. főtétele

Az előző részben áttekintettüka fizikai és a kémiai folyamatokat kísérő entalpiaváltozásokat. A valóságban a folyamatok határozott irányban, önként mennek végbe, megfordításuk csak energiabefektetéssel lehetséges. A termodinamikában az önként, spontán kifejezés a folyamat külső hatástól mentes lejátszódását, vagyis az egyensúly elérését jelenti. Az önként végbemenő változás tehát kijelöli az irányt, de nem adja meg annak lejátszódási idejét. Így a termodinamikai spontán folyamatok nagyon gyorsan vagy végtelenül lassan mehetnek végbe. Vonzó feltételezés lenne, hogy az exoterm folyamatok, amelyek belső energia csökkenésével járnak, önként játszódnak le, míg az endoterm folyamatok nem. A termodinamika I. főtétele csak a teljes energiaváltozást írja le és nem teszi lehetővé a folyamatok irányának megjósolását.
A kémiai és fizikai folyamatokat a jól mérhető entalpiaváltozás mellett kevésbé szembetűnő változás is kíséri. Pl. a gázfejlődéssel járó reakciókban a termék gázfázisba lép, és ezzel nagyobb tér és többféle mozgási lehetőség nyílik meg számára; a csapadékképződés jelentősen csökkenti a hidratált ionok mozgását, mivel a kristályrácsban jobban rögzítettek, mint a vizes fázisban. Mindkét folyamatban megváltozott a kémiai rendszer rendezettsége is. A fizikai folyamatok is hasonló változásokkal járnak együtt, pl. a párolgásakor a gőztérbe kerülő molekulák változatosabban helyezkedhetnek el, a rendszer rendezetlensége növekszik.
A kémiai és fizikai folyamatokat a jól mérhető entalpiaváltozás mellett kevésbé szembetűnő változás is kíséri. PJ. a gázfejlődéssel járó reakciókban a termék gázfázisba lép, és ezzel nagyobb tér és többféle mozgási lehetőség nyílik meg számára; a csapadékképződés jelentősen csökkenti a hidratált ionok mozgását, mivel a kristályrácsban jobban rögzítettek, mint a vizes fázisban. Mindkét folyamatban megváltozott a kémiai rendszer rendezettsége is. A fizikai folyamatok is hasonló változásokkal járnak együtt, pl. a víz párolgásakor a gőztérbe kerülő molekulák változatosabban helyezkedhetnek el, a rendszer rendezetlensége növekszik.
A gázok kinetikus elméletének tárgyalásánál már láttuk, hogy a rendszer adott állapotát (pl. energiaeloszlását) statisztikai átlagban lehet csak bemutatni. Az átlagértéket leíró makroállapot a rendszert alkotó atomok vagy molekulák nagyon sokféle mikroállapotából alakul ki. A termodinamika ezért statisztikus jellegű is, eredményei értelmezésében nagy szerepe van a különböző állapotok egymástól eltérő valószínűségének. Termodinamikai valószínűségen azon mikroállapotok számát értjük, amelyekkel a rendszer adott makroállapota megvalósul. A nagyfokú rendezettség kevésbé valószínű állapot, míg a rendezetlenség valószínűbb állapototjelent. A rendezetlenség mértéke az entrópia (S), a folyamatot kísérő entrópiaváltozás:
 
∆S = Svégállapot – Skezdeti állapot .
 
Az entrópia megértése némi nehézséget okoz, mert közvetlenül nem mérhető. Könnyen szemléletessé tehető azonban statisztikus módszerek felhasználásával. L. Boltzmann javasolta először az entrópia és a valószínűség összekapesolását. A matematikai valószínűség (értéke 0 és 1 között van) leírja pl. a pókerben a treff (1/4)és az ász (1/13) húzásának valószínűségét, ill. a treff ász (1/4 · 1/13 = 1/52) valószínűségét. Az entrópia statisztikus leírásában bevezetett termodinamikai valószínűség (Z, értéke 1 és ∞ között van) a rendszer mikroállapotait viszonyítja a makroállapothoz. A kártya keverése az osztás előtt növeli a rendezetlenséget, az entrópiát és a játékosok ezt igyekeznek csökkenteni lapok cserélésével. A rendezett (kis entrópiájú) ászpóker ezért igen kis termodinamikai valószínűségű. Boltzmann egyenlete az entrópiáról:
 
S = k ln Z .
 
ahol k a Boltzmann-féle állandó. Tökéletesen rendezel! állapotban Z = 1 és S = 0. Az entrópia a természetben önként végbemenő folyamatokban nő, mivel a rendezetlenebb állapot a valószínűbb.
J. C. Maxwell továbbfejlesztette a fenti elgondolást. Gondolatkísérletben kimutatta, hogy ha önként végbemenő folyamatban az entrópia csökkenne (rendezettség nőne), akkor a rendszer hasznos munkát végezhetne energiabefektetés nélkül (94. ábra).
A kömyezetétől elszigetelt két gáztartályban azonos hőmérsékletű gáz van. A gázmolekulák belső energiatartalma pontosan ugyanakkora a két tartályban, energiaeloszlásuk követi a Maxwell-Boltzmanneloszlást: ,lassú és gyors” molekulák egyaránt megtalálhatók. Amennyiben a két tartály közti ajtót egy ,,mikroszkopikus lény”, Maxwell-démon működtetné, akkor a ,,lassú és gyors” molekulákat szét lehetne válogatni. A Maxwell-démon a gyors” molekulákat pl. a jobb oldali kamrában gyűjtené össze, aminek növekedne a hőmérséklete, míg a baloldali kamra lehűlne. A folyamatban csökkenne az entrópia és a hőmérséklet-különbség munkavégzésre adna lehetőséget. A Maxwell-démon működése nincs ellentétben a termodinamika I. főtételével. Az ilyen jellegű perpetuum mobile megvalósíthatatlanságát csak az entrópia bevezetésével mondhatjuk ki.
 
94. ábra. Maxwell-démon működése. (j: D. Rawn: Biochemistry, 268. o. alapján, N. Patterson Publ., 1989)
 
Általános és bioszervetlen kémia

Tartalomjegyzék

Kiadó: Semmelweis Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 331 705 1

Orvostudomány

A könyv feladata, hogy az orvostudományt, gyógyszerésztudományt és biológiát választó egyetemi szak hallgatóit és e téma iránt érdeklődőket megismertesse egyrészt a kémia tudomány alapjaival, az általános kémiával, másrészt a fémek és nemfémes elemek biológiai szerepével, a bioszervetlen kémiával vagy másképp, szervetlen biokémiával.

Hivatkozás: https://mersz.hu/erdoddi-gergely-vereb-altalanos-es-bioszervetlen-kemia//

BibTeXEndNoteMendeleyZotero
Kivonat
fullscreenclose
printsave