Свободна енергия на Гибс и спонтанност

В последните няколко клипа научихме, че ако имаме една система, която е под влиянието на постоянно налягане, или в среда с постоянно налягане, промяната в енталпията е равна на топлината, прибавена към системата. Ще напиша малко p, защото всичко става при постоянно налягане. И така, ако имаме една реакция, да кажем А плюс B дава C, и промяната в енталпията – т.е. нашата енталпия в това състояние минус промяната в енталпията в онова състояние – да кажем, че нашата промяна в енталпията е по-малка от 0, знаем, че това е екзотермична реакция. Защо е така? И още веднъж, допускам, че налягането е постоянно. Откъде можем да знаем, че реакцията е екзотермична, с освобождаване на енергия? Понеже промяната в енталпията, когато имаме система с постоянно налягане се изразява в добавена топлина към системата. Ако тази топлина е отрицателна, тогава трябва да се освободи топлина. Така освобождаваме топлина или енергия. Така, плюс енергия. И в миналия клип научихме, мисля беше или в миналия клип, или преди един-два клипа, че наричаме такава реакция екзотермична реакция. И, ако е налице реакция, която се нуждае от енергия- да кажем имаме А плюс B плюс малко енергия дава C, тогава какво означава това? Това означава, че системата е погълнала енергия. Количеството енергия, която поглъщаме представлява нашата промяна в енталпията. И съответно делта H ще бъде положителна. Промяната в енталпията е положителна. Погълната е енергия в системата. Такива реакции наричаме ендотермични. Поглъща се топлина. Така, ако искаме да разберем дали дадена реакция се случва просто от само себе си – дали е спонтанна – изглежда сякаш тази промяна в енталпията е добър кандидат. Очевидно, ако освобождавам енергия, не се нуждая от никаква енергия, за да протече тази реакция, може би тази реакция е спонтанна. И по подобен начин, след като трябва някак да добавя енергия в системата, нещо вътре в мен ми подсказва, че може би тук няма спонтанност. Но друга малка част от мен ми казва, че ако частиците обикалят наоколо наистина бързо, и имат голяма кинетична енергия, която може да се използва за да сплоти тези частици, вероятно тогава внезапно това ще стане спонтанно. Така че енталпията сама по себе си може би не описва изцяло какво ще се случи. И за да придобием малко интуиция, и може би да изградим чувство за това дали дадена реакция протича спонтанно, нека разгледаме участниците в нея, които имат значение. Вече знаем, че делта H вероятно има значение. Ако освободим енергия – известно ни е, че делта H е по-малко от 0, което ме кара да мисля, че може би има спонтанност. Но пък какво ще стане ако делта S, ентропията, намалее? Какво ще се случи ако нещата малко се подредят? Вече научихме от втория закон на термодинамиката, че тук не е такъв случаят. И от личен опит знаем, че нещата сами по себе си не преминават в макросъстояние, което има по-малко на брой микросъстояния, според това, което знаем. Едно яйце не се събира само по себе си, не скача весело на пода само, въпреки че има някаква вероятност и това да се случи. И като че ли ентропията има значение така или иначе. Сега идва ред на температурата. Вече говорихме по въпроса, когато обсъждахме енергията. И както знаем, ако тук се изисква енергия, и вероятно температурата е достатъчно висока, може би всъщност бих събрал някак тези частици, пораждайки енергия, за да се достигне тук. Та нека помислим и видим. Нека помислим за участниците и как биха изглеждали реакциите, зависещи от различните комбинации на участниците. Участниците, с които ще започна – делта H изглежда определено има значение, в случай, че има поглъщане на енергия или не. Имаме делта S, което е промяната в ентропията. Има ли в системата повече състояния или по-малко състояния? Става ли тя по-подредена или не? Следва температурата, която представлява средната кинетична енергия. Нека сега помислим за няколко възможни ситуации. Да вземем най-напред първия случай. Това е ситуацията, при която делта H е по-малко от нула, а ентропията е по-голяма от 0. Искам да кажа, че вече усещам вътрешно какво ще се случи. Това е ситуация, в която ентропията ще е по-голяма след протичане на реакцията. Един начин да разглеждаме ентропията е, че може да са налице повече състояния. Вероятно има повече частици. Видяхме, че ентропията е свързана с броя частици, с които разполагаме. И това може да е реакция, в която да кажем имаме... искаме да имаме повече частици. И да кажем, че имам този приятел. Той има друг приятел като него там, а аз добавям още един, и примерно, той има една такава молекула. Да кажем тя е... няма да кажа стабилна или не. Но да кажем, че когато тези частици се сблъскат един с друг, накрая остава това. Правя това много набързо. Може би една от тези молекули се свързва с тази молекула, така виждаме една от тъмносините молекули... ще направя всички тъмно сини... тя се свързва с тази светлосиня молекула, друга от тъмносините се свързва с пурпурночервената молекула. И може би тази кафява молекула се отделя и остава сама. Имахме две молекули, а сега стигнахме до състояние с три молекули. Неподредеността стана по-голяма, по-голяма ентропия е налице. Тук очевидно може да има повече състояния. Казвам ти, че делта H е по-малко от 0. И правейки това, тези приятели, електроните им са с по-нисък потенциал, или са в по-стабилна конфигурация. И когато електроните преминат от конфигурациите си с по-висок потенциал тук и станат по-стабилни, те освобождават енергия. Така имаме плюс... тогава просто знам, че както казах от самото начало, че промяната в енталпията е по-малка от 0. И добавяме някаква енергия. Изглежда пределно ми е ясно, че тази реакция ще бъде спонтанна в тази посока надясно. Понеже няма причина за... първо е по-лесно две частици да се сблъскат една в друга, за да отидат в тази посока, отколкото ако са три частици – ако го разгледаме от гледна точка на вероятността три частици да се съберат по подходящия начин и да отидат в тази посока. Нещо повече – тези приятелчета са по-устойчиви. Електроните им са в състояние с по-нисък потенциал. И дори няма причина от гледна точка на енталпията те да се движат в тази посока, или някаква енергийна причина да се движат натам. И това, според мен, нещо ми подсказва, че без значение от температурата, ще се блягоприятства протичането на правата реакция. По мое мнение това вероятно се случва спонтанно. И какво става – нека направим нещо, което може би по малко логично. Какво се случва, ако делта H е по-малко от 0? Но да кажем, че губя ентропия. И изглежда, че според втория закон на термодинамиката, ако ентропията на вселената се покачи... Говоря само за моята система. Но да кажем, че аз губя ентропия. Това би било ситуация, в която се придвижвам, да кажем, от място с други две частици. Да кажем, имам онази частица, а след това и тази частица. И после, ако те се сблъскат една с друга по правилния начин, техните електрони ще са по-устойчиви, и вероятно се получава ето това. И когато го правят, електроните могат да преминат в по-ниски потенциални състояния, и когато това стане, те освобождават енергия, т.е. тук имаме плюс енергия. И знаем това, защото промяната в енталпията е по-малко от нула. В това състояние имаме по-ниска енергия, отколкото в онова, и разликата се освобождава тук. Ще протече ли тази реакция? Ами изглежда сякаш... нека въведем тук температурата. Какво ще се случи при едни по-ниски температури? При ниски температури, тези елементи имат средно много ниска кинетична енергия. Те просто "блуждаят" наоколо с бавни движения. И докато блуждаят много бавно... Спомни си, че когато говорих за спонтанност... написах грешно "спонтанно". Тук става дума за нещо спонтанно. "Спонтанен" е друга дума за термодинамичен. Наистина забавна дума. Когато имаме ниска температура – това, за което говорех, преди да си открия грешката, Когато говоря за спонтанност, имам предвид това дали реакцията ще протече сама по себе си. Не говоря за това колко бързо ще протече тя или за скоростта ѝ. Това е наистина ключов момент. Знаем ли дали това ще се случи? Не ме е грижа дали ще отнеме един милион години, за да се случи. Искам само да знам дали ще се случи от само себе си? Ако температурата е ниска, тези елементи може би наистина блуждаят наоколо и рядко се сблъскват един с друг. Но накрая ще се сблъскат един с друг. И когато това стане, те просто ще преминат плавно един покрай друг. И когато минат един покрай друг, те ще се оформят по определен начин – нещата искат да преминат в по-ниско потенциално състояние. Просто се опитвам да ти подскажа, да събудя интуицията ти. Но понеже това ще освободи енергия, ще премине в по-ниско потенциално състояние, електроните някак се конфигурират, когато се доближат един друг, и преминат в това състояние. И освобождават енергия. И веднъж щом тази енергия е изразходена, може би във вид на топлина или нещо от сорта, става някак трудно тя да се възвърне и отиваме в другата посока. И изглежда така сякаш ще е налице спонтанност, ако температурата е ниска. Нека го напиша. Процесът е спонтанен, ако температурата е ниска. А какво става ако температурата е висока? Нека не забравяме, че това не са единствените частици тук. Имаме повече такива. Щ си избера друг такъв приятел, и още един приятел ето така. И тогава от тази страна ще имам, вижда се, повече частици. Очевидно няма само една частица. Тогава всички тези макро- променливи наистина нямат смисъл, ако говорим само за конкретни молекули. Става дума за цели системи. Но какво става тук, ако температурата на системата ни е висока? Нека помислим за дадена ситуация, в която температурата е висока. Така, изведнъж... от тази страна частиците ще се блъскат едни в други много бързо. Ако този приятел се блъсне в този "свръхбързо", този сблъсък почти може да се приеме като автомобилна катастрофа. Дори по-добре, това би могло да си е катастрофа. Ако всички тези отделни коли, ако атомите бяха части на колите, ако те се блъснат един друг, макар че искат да са прикрепени един към друг, те имат винтове и каквото трябва, за да ги държи заедно, ако две коли се движат достатъчно бързо една срещу друга, всички тези винтове, лепила и спойки няма да имат значение. Те просто ще се разхвърчат. И така, високата кинетична енергия – нека я покажа. Ако имат висока кинетична енергия, интуицията ми казва, че от тази страна на реакцията тези елементи просто ще се разпаднат и полученият безпорядък ще се насочи насам. А след като тези приятели също имат висока кинетична енергия, те ще се движат толкова бързо един покрай друг, и ще рикушират един от друг по такъв бърз начин, че противодействащата сила, или противоположната склонност на електроните им да се конфигурират по-стабилно няма да има значение. Това е като, представи си, че се опитваш да прикрепиш автомобилна гума, докато притичваш покрай колата. Трябва някак да го направиш... макар и това да е малко... може би това сравнение е неподходящо. Но мисля, че схващаш идеята, че ако температурата е наистина висока, изглежда има по-малка вероятност тези частици да се движат плавно един покрай друга по правилния начин, за да могат да се свържат един с друг, и електроните им да станат по-стабилни, и да извършат този целия екзотермичен акт. Та моето усещане е такова, че ако температурата е достатъчно висока, искам да кажа, знаеш, може би, да кажем, че тя не е достатъчно висока. А какво да кажем за свръхвисоките температури? Ако имаме свръхвисоки темеператури, тогава вероятно дори този приятел ще се сблъска с онзи. Вместо да се получи това, той ще срита този другия син приятел, и впоследствие ще се намери тук. Трябва да оцветя този приятел в синьо. И може би той ще изрита този другия по другите му съставни части, ако има достатъчно кинетична енергия. И тук ми идва идеята, че това не става спонтанно. Даже още повече, при обратната реакция, ако температурата е достатъчно висока, вероятно ще е налице спонтанност. Ако температурата е достатъчно висока, тези приятели ще реагират, ще се сблъскат един с друг и реакцията ще протече по този начин. И така, температурата е висока – поемаме по този път, температурата е ниска – поемаме по онзи. Сега да видим дали можем да подредим всичко, което видяхме до тук, и да се уверим как би изглеждала една формула за спонтанност. Можем да започнем с енталпията. Вече знаем, че ако това е по-малко от 0, вероятно се занимаваме с нещо спонтанно. Сега да кажем, че искам един цял израз, където ако целият израз е по-малък от 0, това ми подсказва, че ще е налице спонтанност. И знаем, че положителната ентропия е нещо добро за спонтанността. Видяхме го във всяка от нашите ситуации. И това да имаме повече състояния, винаги е добре дошло. По-голяма е вероятността да се случи нещо спонтанно. Така, искаме целият ни израз да е отрицателен, ако има спонтанност, нали така? И положителната ентропия трябва да направи целия ми израз още по-отрицателен, така че може би трябва да извадим ентропията. Ако това е положително, тогава целият ми израз ще е по-отрицателен. Което само казва: "Хей, тук има спонтанност." Та ако това е отрицателно, ние освобождаваме енергия. И ако това е положително, ставаме по-разхвърляни, така че това цялото нещо ще е отрицателно. Нещата изглеждат по-прилично. Ами ако ентропията е отрицателна? Ако ентропията е отрицателна, това също подсеща за идеята, че ако ентропията е отрицателна, тогава един вид реакцията по-малко спонтанна. В тази ситуация ентропията беше отрицателна. Преминахме от повече безпорядък към по-малко безпорядък, или по-малко на брой частици. И какво казахме? Когато температурата е висока, спонтанността и ентропията са от голямо значение. Когато температурата е висока, това е по-малко ентропично състояние, те се сблъскват и ще станат по-ентропични. Когато температурата е ниска, те вероятно ще се движат бавно едно към друго, и тогава енталпичната част от уравнението ще е от по-голямо значение. И така, да видим дали можем да намерим това. Когато температурата е висока, ентропията има значение. Когато температурата е ниска, ентропията няма значение. А какво ще стане, ако изразим ентропията чрез температурата? Какво става ако взема една температурна променлива тук? Сега, твърдението ми, или усещането ми, базирани на всичко, което експериментирахме досега, се състои в това, че ако този израз е по-малък от 0, ще си имаме работа със спонтанна реакция. И нека видим дали това се връзва с всичко, което казваме тук. Ако температурата е висока – т.е. тази реакция тук е екзотермична, насочена надясно. Когато отиваме надясно, от повече от тези молекули към по-малко, казах ти, че е екзотермична реакцията. И така, при ниски температури, логиката ми подсказва, че, хей, тук трябва да има някаква спонтанност. Тези приятели ще се движат близо един до друг, попадайки в тази по-стабилна конфигурация. И в това има смисъл. При ниски температури този термин не би означавал много. Можеш да си представиш едно крайно положение. При абсолютна нула този член ще изчезне. Не можем да достигнем съвсем там, но пространството ще става по-малко и по-малко. И този член доминира. При високи температури изведнъж този член ще доминира. И ако нашето делта S е по-малко от 0, тогава това понятие ще доминира и ще стане положителен. И дори ако това е отрицателно, ние изваждаме. Така нашата делта S е отрицателна. Слагаме отрицателен знак тук. А това ще е положително. И така, при положителния знак тук, ако температурата е достатъчно висока... и си спомни, че работим с Келвин, така че температурата може да е само положителна. Ако тук температурата е достатъчно положителна, тя ще доминира над всяка отрицателна енталпия. И затова повече не би имало спонтанност. Така че, ако температурата е достатъчно висока, тази посока няма да бъде спонтанна. И това уравнение ни го казва. А ако отидем при положителна ентропия, положителна енталпия, извинявам се, отрицателна енталпия, положителна ентропия, тук има освобождаване на енергия, така че това е отрицателно, нашата ентропия нараства... нашата ентропия, ставаме все по-разхвърляни... тогава това също става отрицателно. Така че този член определено ще бъде отрицателен. И вече сме получили представата, че, виждаш ли, ако това е отрицателно, а това положително, имаме по-голяма ентропия и се освобождава енергия, това определено трябва да е спонтанно. И това уравнение също ни го показва. Така че дотук съм сигурен, що се отнася до това уравнение. И както можеш да си представиш... аз не си измислям това... Това всъщност е уравнението, което предсказва спонтанността. И ще ти покажа това по един по-точен начин в бъдеще, може би ще се върнем към някои от основните ни формули за ентропията и другите подобни неща. Но тук имаме формулата за това дали нещо е спонтанно. И целта, която имах в този клип, е да събудя интуицията ти за това защо тази формула има някакъв смисъл. Това количество тук се нарича делта G или промяна в свободната енергия на Гибс. И това всъщност наистина предсказва дали една реакция е спонтанна. И в следващия клип ще приложим тази формула няколко пъти. И няколко клипа след това ще научим малко повече за това как можем всъщност да получим тези резултати чрез някои от основните принципи на термодинамиката.