Question

شرح القانون الثاني للثرموديناميك بالتفصيل؟

شرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية بالتفصيل؟

Answer 1

القانون الثاني في الثرموديناميك

The Second Law of Thermodynamics

- نص القانون الثاني للثرموديناميك:

(كل تغير تلقائي لا بد وأن ترافقه زيادة في الانتروبي وتبقى ثابتة في حالة الاتزان)

- بمعنى أن التغير الكلي في الانتروبي ΔS هو الذي يحدد كون العملية تلقائية أم لا:

حيث أن:

ΔS_S : التغير في الانتروبي للنظام .

ΔS_r : التغير في الانتروبي للمحيط.

ويمكن توضيح ذلك كما يلي:

(1) تكون العملية تلقائية إذا كانت قيمة ΔS_t الكلية أكبر من الصفر (موجبة).

(2) تكون العملية غير تلقائية إذا كانت قيمة ΔS_t الكلية أقل من الصفر (سالبة) 

توضيح تكون العملية تلقائية إذا كانت قيمة ΔS أكبر من الصفر (موجبة) بغض النظر عن كون التغير في انتروبي النظام موجب أو سالب ، كما في المثال التالي:

مثال لو حصل تغير فيزيائي ما ، ووجد أن :

قيمة التغير في الانتروبي للنظام : ΔS_s = -10 J / K 

قيمة التغير في الانتروبي للمحيط : ΔS_r = +11 J/K

ΔS_t = ΔS_S + ΔS_r 

(11+) + (10-) = 

1J/K + = 

- التغير الكلي في الانتروبي ΔS_t بالموجب إذن التغير في هذه الحالة تلقائي ، رغم أن التغير في الانتروبي للنظام ΔS_s بالسالب (أي أن الانتروبي للنظام ينقص).

- لذلك يجب ان نأخذ دائماً بعين الاعتبار التغير في الانتروبي للمحيط عند حدوث أي تغير ولا نركز فقط على انتروبي النظام 

ملاحظة : عندما تكون العملية في حالة اتزان فإن ΔS = zero أي أن : ΔS_s = ΔS_r

- مما سبق يتبين لنا أن قيمة التغير في الانتروبي للنظام فقط قد لا تساعدنا بشكل كامل في التعرف على تلقائية التفاعل ، وحيث انه يصعب في كثير من العمليات الحصول على التغير في الانتروبي للمحيط ، لذلك سوف نلجأ لخاصية ثرموديناميكية وهي التـغيـر في الطاقة الحرة (التغير في طاقة جبس الحرة) ΔG . والتي يمكن إيجادها بالقانون التالي:

 ΔG = ΔH - TΔS

التغير في الانتروبي في التحولات الفيزيائية

- عند حدوث تغير فيزيائي مثل الانصهار أو الغليان او التسامي أو التبخر فإن التغير في هذه الحالة يكون في حالة اتزان.

- فمثلاً عند درجة غليان الماء يكون الماء السائل وبخار الماء في حالة اتزان : H₂O ₍₁₎ = H₂O _(g) والتغيرات الفيزيائية مثل الانصهار والغليان وغيره يرافقها تغير في الانتروبي ويمكن التوصل لقيمة ΔS كما يلي:

وعندما يكون الضغط ثابتا فإن : ΔH = q_p

ΔS = التغير في الانتروبي ووحدته (J / K mol) 

ΔH = التغير في الإنثالبي ووحدته (J)

q = كمية الحرارة التي يمتصها النظام في حالة التغير العكسي ووحدتها بالجول (J) 

T = درجة الحرارة المطلقة (بالكلفن)

ملاحظات هامة:

- يفضل استخدام الجول (J) عن الكيلو جول (kJ) للتغير في الانتروبي وذلك لأن قيم التغير في الانتروبي صغيرة.

- هذا القانون ينطبق فقط عند وجود حالة اتزان مستمرة ، فمثلاً عند تحول المادة من حالة إلى حالة ، أو يكون تفاعل في حالة اتزان.

سؤال: لماذا يجب علينا استخدام (q) عند حساب ΔS لنظام ما .

جواب: لأن زيادة كمية الحرارة و المضافة للنظام يزيد كمية الفوضى (العشوائية)

Answer 2

مسائل محلولة على القانون الثاني للثرموديناميك

مثال (1): إذا كانت حرارة انصهار البنزين تساوي 12kJ / mol احسب التغير في الانتروبي عندما يتـحـول البنزين من الحالة الصلبـة إلى الحالة السائلة، علما بأن درجـة الانصهار هي °5.5C 

الحل:

مثال (2): احسب درجة غليان النشادر إذا علمت ان حرارة التبخر تساوي 23.3kJ / mol وأن انتروبي التبخر ΔS تساوي 97.2J / mol k

الحل:

مثال (3): حـرارة تسامي ثاني أكسيد الكربون هي 16.2kJ / mol  وقـيـمـة S^o للتسامي هي 88.5J / mol K  ما درجة الحرارة التي يتسامى عندها ثاني أكسيد الكربون.

الحل:

مثال (4): أحسب التفاعل التالي: 

   H₂O ₍₁₎ = H₂O _(g)           ΔH = + 40617.1 J / mol

احسب التغير في الانتروبي إذا علمت أن درجة غليان الماء °100C 

الحل:

 أهمية درجة الحرارة على التغير الكلي للانتروبي

يمكن إيجاد التغير في الانتروبي للنظام أو المحيط بالقانون التالي:

T_s = درجة الحرارة المطلقة للنظام 

T_r = درجة الحرارة المطلقة للمحيط

ولإيجاد التغير في الانتروبي الكلي:

وحيث أن كمية الحرارة المفقودة من النظام q_s تساوي الطاقة المكتسبة من المحيط q_r ، فإن هذا يعني أن درجة الحرارة المطلقة للمحيط والنظام هما فقط اللذان يتحكمان في قيمة التغير الكلي للانتروبي ΔS_t.

نص القانون الثالث للثرموديناميك 

- انتروبي أي مادة نقية متبلورة عند درجة الصفر المطلق يساوي صفراً وذلك لأن الجزيئات تكون منتظمة وليس لديها أي حـركـة حـرارية.

- وهذا يعني ان انتروبي أي مادة بعيدة عن الصفر المطلق سيكون لها قيمة بسبب التهيج الحراري الذي يسبب العشوائية (عدم الانتظام).