Skip to main content
Global

16.1: Ubaguzi

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    175809

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Malengo ya kujifunza
    • Tofautisha kati ya michakato ya pekee na isiyo ya kawaida
    • Eleza usambazaji wa suala na nishati inayoambatana na michakato fulani ya hiari.

    Katika sehemu hii, fikiria tofauti kati ya aina mbili za mabadiliko katika mfumo: Yale yanayotokea kwa hiari na yale yanayotokea tu kwa pembejeo inayoendelea ya nishati. Kwa kufanya hivyo, tutaweza kupata ufahamu wa kwa nini baadhi ya mifumo ni kawaida kutega mabadiliko katika mwelekeo mmoja chini ya hali fulani. Tutaweza pia kupata ufahamu katika jinsi spontaneity ya mchakato huathiri usambazaji wa nishati na suala ndani ya mfumo.

    Michakato ya hiari na isiyo ya kawaida

    Michakato ina tabia ya asili ya kutokea katika mwelekeo mmoja chini ya seti ya masharti. Maji yatapita katikati, lakini mtiririko wa kupanda unahitaji kuingilia nje kama vile matumizi ya pampu. Mchakato wa pekee ni moja ambayo hutokea kwa kawaida chini ya hali fulani. Mchakato usio wa kawaida, kwa upande mwingine, hautafanyika isipokuwa “unaendeshwa” na pembejeo ya nishati ya kuendelea kutoka chanzo cha nje. Mchakato ambao ni wa pekee katika mwelekeo mmoja chini ya seti fulani ya masharti ni isiyo ya kawaida katika mwelekeo wa nyuma. Kwa joto la kawaida na shinikizo la kawaida la anga, kwa mfano, barafu litayeyuka kwa hiari, lakini maji hayatafungia kwa hiari.

    Uwezeshaji wa mchakato hauhusiani na kasi ya mchakato. Mabadiliko ya hiari yanaweza kuwa ya haraka sana kwamba kimsingi ni instantaneous au hivyo polepole kwamba haiwezi kuzingatiwa katika kipindi chochote cha vitendo. Ili kuonyesha dhana hii, fikiria kuoza kwa isotopu za mionzi, mada ya kutibiwa vizuri zaidi katika sura ya kemia ya nyuklia. Kuoza kwa mionzi ni kwa ufafanuzi mchakato wa hiari ambapo viini vya isotopu zisizo na uhakika hutoa mionzi kama zinabadilishwa kuwa nuclei imara zaidi. Michakato yote ya kuoza hutokea kwa hiari, lakini viwango ambavyo isotopu tofauti huoza hutofautiana sana. Technetium-99m ni radioisotopu maarufu kwa masomo ya upigaji picha za kimatibabu ambayo inakabiliwa na kuoza kwa haraka kiasi na inaonyesha nusu ya maisha ya saa sita. Uranium-238 ni isotopu nyingi zaidi ya uranium, na kuoza kwake hutokea polepole zaidi, kuonyesha nusu ya maisha ya zaidi ya miaka bilioni nne (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Wote U-238 na TC-99m hupata kuoza kwa mionzi ya kutosha, lakini kwa viwango tofauti sana. Katika kipindi cha wiki moja, kimsingi yote ya sampuli TC-99m na hakuna sampuli U-238 itakuwa na kuoza. (CC na 4.0; Morgan Johnson kupitia LibreTexts)
    Curves mbili zinaonyeshwa kuwakilisha U-238 na TC-99m kwa mtiririko huo. Axes wima inawakilisha asilimia ya isotopu iliyobaki na shoka za usawa ni wakati uliopita katika siku.

    Kama mfano mwingine, fikiria uongofu wa almasi ndani ya grafiti (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

    \[\ce{C(s, diamond)}⟶\ce{C(s, graphite)} \label{Eq1} \]

    Mchoro wa awamu ya kaboni unaonyesha kuwa grafiti ni fomu imara ya kipengele hiki chini ya shinikizo la anga la kawaida, wakati almasi ni allotrope imara katika shinikizo la juu sana, kama vile wale waliopo wakati wa malezi yake ya kijiolojia. Thermodynamic mahesabu ya aina ilivyoelezwa katika sehemu ya mwisho ya sura hii zinaonyesha kuwa uongofu wa almasi kwa grafiti katika shinikizo iliyoko hutokea kuwaka, lakini almasi ni aliona kuwepo, na kuendelea, chini ya masharti haya. Ingawa mchakato huo ni wa pekee chini ya hali ya kawaida, kiwango chake ni polepole sana, na hivyo kwa madhumuni yote ya vitendo almasi ni kweli “milele.” Hali kama hizi zinasisitiza tofauti muhimu kati ya mambo ya thermodynamic na kinetic ya mchakato. Katika kesi hii, almasi inasemekana kuwa thermodynamically imara lakini kinetically imara chini ya hali ya kawaida.

    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): uongofu wa kaboni kutoka allotrope ya almasi hadi allotrope ya grafiti ni hiari kwa shinikizo la kawaida, lakini kiwango chake ni polepole kwa joto la chini hadi wastani. Utaratibu huu unajulikana kama graphitization, na kiwango chake kinaweza kuongezeka kwa maadili ya kupimwa kwa urahisi kwenye joto katika kiwango cha 1000—2000 K. (picha ya “almasi” ya mikopo: mabadiliko ya kazi na “Fancy Diamonds” /Flickr; picha ya “grafiti” ya mikopo: mabadiliko ya kazi na picha-ya-elements.com/carbon.php)
    Kulinganisha almasi na grafiti inavyoonekana katika hali yake ya kimwili pamoja na mpangilio wake wa masi mtawalia.

    Kueneza kwa jambo na Nishati

    Kama sisi kupanua majadiliano yetu ya dhana thermodynamic kuelekea lengo la utabiri spontaneity, fikiria sasa mfumo pekee yenye flasks mbili kushikamana na valve imefungwa. Awali kuna gesi bora upande wa kushoto na utupu upande wa kulia (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Wakati valve inafunguliwa, gesi huongezeka kwa hiari ili kujaza flasks zote mbili. Akikumbuka ufafanuzi wa kazi ya shinikizo kutoka kwa sura ya thermochemistry, kumbuka kuwa hakuna kazi iliyofanyika kwa sababu shinikizo katika utupu ni sifuri.

    \[ \begin{align} w&=−PΔV \\[4pt]&=0 \,\,\, \mathrm{(P=0\: in\: a\: vaccum)} \label{Eq2} \end{align} \]

    Kumbuka pia kwamba tangu mfumo umetengwa, hakuna joto limebadilishwa na mazingira (q = 0). Sheria ya kwanza ya thermodynamics inathibitisha kwamba hakukuwa na mabadiliko katika nishati ya ndani ya mfumo kama matokeo ya mchakato huu.

    \[ \begin{align} ΔU&=q+w \tag{First Law of Thermodynamics} \\[4pt] &=0+0=0 \label{Eq3}\end{align} \]

    Kwa hiyo, uhuru wa mchakato huu sio matokeo ya mabadiliko yoyote katika nishati inayoambatana na mchakato. Badala yake, mwendo wa gesi unaonekana kuhusiana na kutawanyika zaidi, sare zaidi ya suala linalosababisha wakati gesi inaruhusiwa kupanua. Awali, mfumo huo ulikuwa na chupa moja iliyo na suala na chupa nyingine isiyo na kitu. Baada ya mchakato wa hiari ulifanyika, suala hilo lilisambazwa kwa upana zaidi (kuchukua mara mbili kiasi chake cha awali) na zaidi kwa usawa (sasa kwa kiasi sawa katika kila chupa).

    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Mfumo wa pekee una gesi bora katika chupa moja iliyounganishwa na valve iliyofungwa kwenye chupa ya pili iliyo na utupu. Mara valve inafunguliwa, gesi huwa sawasawa kusambazwa kati ya flasks.
    Wakati valve imefungwa, molekuli zote za gesi hukusanya tu upande mmoja wa chupa. Mchoro na valve wazi inaonyesha gesi kuwa sawa kusambazwa kati ya flasks mbili. Utawanyiko wa gesi umeandikwa kama hiari wakati reverse inaitwa kama isiyo ya hiari.

    Sasa fikiria vitu viwili kwa joto tofauti: kitu X kwenye joto T X na kitu Y kwenye joto T Y, na T X> T Y (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Wakati vitu hivi vinawasiliana, joto hutoka kwa moto kutoka kwenye kitu cha moto (X) hadi kwenye baridi (Y). Hii inalingana na kupoteza nishati ya joto na X na faida ya nishati ya joto na Y.

    \[q_\ce{X}<0 \hspace{20px} \ce{and} \hspace{20px} q_\ce{Y}=−q_\ce{X}>0 \label{Eq4} \]

    Kutokana na mtazamo wa mfumo huu wa vitu viwili, hapakuwa na faida halisi au kupoteza nishati ya joto, badala ya nishati ya joto iliyopo iligawanywa tena kati ya vitu viwili. Utaratibu huu wa pekee ulisababisha usambazaji wa sare zaidi ya nishati.

    Kielelezo:Wakati vitu\(\PageIndex{4}\) viwili katika joto tofauti vinawasiliana, joto hutoka kwa moto hadi kitu kilicho baridi.
    Vitalu viwili vilivyotengwa. Moja ni kinachoitwa X na nyingine kinachoitwa Y. mchoro karibu nayo inaonyesha vitalu viwili katika kuwasiliana na mtu mwingine.

    Kama inavyoonyeshwa na michakato miwili iliyoelezwa, jambo muhimu katika kuamua upepo wa mchakato ni kiwango ambacho kinabadilisha kutawanyika au usambazaji wa suala na/au nishati. Katika kila kesi, mchakato wa hiari ulifanyika ambao ulisababisha usambazaji zaidi wa sare ya suala au nishati.

    Mfano\(\PageIndex{1}\): Redistribution of Matter during a Spontaneous Process

    Eleza jinsi suala na nishati zinasambazwa tena wakati michakato yafuatayo ya hiari hufanyika:

    1. Sublimes imara.
    2. Gesi hupungua.
    3. Tone la rangi ya chakula limeongezwa kwenye glasi ya maji huunda suluhisho na rangi sare.
    Suluhisho
    Kielelezo\(\PageIndex{5}\) :( mikopo a: mabadiliko ya kazi na Jenny Downing; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “Fuzzy Gerdes” /Flickr; mikopo c: mabadiliko ya kazi na Sahar Atwa)
    Takwimu hii ina picha tatu zilizoandikwa, “a,” “b,” na “c.” Picha inaonyesha kioo na barafu kavu katika maji. Kuna mvuke mwembamba kutoka juu ya kioo. Picha b inaonyesha maji kutengeneza nje ya kioo zenye kinywaji baridi. Picha c inaonyesha chombo kilichofunikwa ambacho kina kioevu nyekundu.
    1. Uwezeshaji ni uongofu wa imara (wiani wa juu) kwa gesi (wiani mdogo sana). Utaratibu huu hutoa usambazaji mkubwa wa suala hilo, kwani molekuli itachukua kiasi kikubwa zaidi baada ya mpito imara-kwa-gesi. Hata hivyo, pembejeo ya nishati kutoka mazingira inahitajika kwa molekuli kuondoka awamu imara na kuingia awamu ya gesi.
    2. Uharibifu ni uongofu wa gesi (wiani mdogo) kwa kioevu (wiani mkubwa zaidi). Utaratibu huu hutoa usambazaji mdogo wa suala hilo, kwani molekuli itachukua kiasi kidogo baada ya mabadiliko ya gesi-kwa-kioevu. Kama molekuli za gesi zinakwenda pamoja ili kuunda matone ya kiowevu, huunda vikosi vya intermolecular na hivyo hutoa nishati kwa mazingira.
    3. Mchakato katika swali ni dilution. Molekuli ya rangi ya chakula awali inachukua kiasi kidogo (tone la ufumbuzi wa rangi) kuliko wanavyofanya mara moja mchakato ukamilika (katika glasi kamili ya maji). Kwa hiyo mchakato unahusu usambazaji mkubwa wa jambo. Mchakato huo unaweza pia kutoa usambazaji wa sare zaidi wa suala, kwa kuwa hali ya awali ya mfumo inahusisha mikoa miwili ya viwango tofauti vya rangi (juu ya kushuka, sifuri katika maji), na hali ya mwisho ya mfumo ina mkusanyiko wa rangi moja. Utaratibu huu unaweza kutokea bila mabadiliko ya nishati kwa sababu molekuli zina nishati ya kinetic ikilinganishwa na joto la maji, na hivyo itakuwa daima katika mwendo.
    Zoezi\(\PageIndex{1}\)

    Eleza jinsi jambo na nishati zinasambazwa tena wakati unapoweka canister ya hewa iliyosimamiwa ndani ya chumba.

    Jibu

    Utaratibu huu unahusisha kuenea zaidi na zaidi ya sare ya suala kama hewa iliyosimamiwa katika canister inaruhusiwa kupanua ndani ya hewa ya chini ya shinikizo la chumba. Mchakato pia unahitaji pembejeo ya nishati kuvuruga vikosi vya intermolecular kati ya molekuli za gesi zilizopo karibu ambazo awali zimesisitizwa ndani ya chombo. Kama ungekuwa na kugusa nozzle ya canister, ungependa taarifa kwamba ni baridi kwa sababu molekuli exiting ni kuchukua nishati mbali na mazingira yao, na canister ni sehemu ya mazingira.

    Muhtasari

    Michakato ya kemikali na kimwili ina tabia ya asili ya kutokea katika mwelekeo mmoja chini ya hali fulani. Utaratibu wa pekee hutokea bila ya haja ya pembejeo ya nishati ya kuendelea kutoka kwa chanzo cha nje, wakati mchakato usio na kawaida unahitaji vile. Systems kufanyiwa mchakato hiari wanaweza au uzoefu faida au hasara ya nishati, lakini wao uzoefu mabadiliko katika njia jambo na/au nishati ni kusambazwa ndani ya mfumo. Katika sehemu hii tumejadili tu kuoza nyuklia, mabadiliko ya kimwili ya vitu safi, na matukio macroscopic kama vile maji inapita kuteremka. Katika sehemu zifuatazo tutajadili mchanganyiko na athari za kemikali, hali ambazo maelezo ya upepo huwa changamoto zaidi.

    faharasa

    mchakato usio na hiari
    mchakato ambayo inahitaji kuendelea pembejeo ya nishati kutoka chanzo cha nje
    mabadiliko ya hiari
    mchakato unaofanyika bila pembejeo ya kuendelea ya nishati kutoka chanzo cha nje