Энергия и энтропия: два принципа, которые правят миром

Итак, в мире действуют два очень важных принципа, которым подчиняются самые разные процессы и явления: принцип минимума энергии и принцип максимума энтропии. В некоторых случаях процесс полностью находится под управлением одного из них. Например, если выпустить из двух баллонов в один сосуд газы гелий и неон, то они быстро смешаются в однородную смесь. Энергия системы в этом процесс не меняется совершенно, поэтому он полностью проходит под энтропийным контролем (энтропия смеси двух газов выше, чем сумма энтропий каждого газа до смешивания).

Если в раствор сульфата меди бросить ложку мелкого порошка железа, начнется выделение металлической меди. Энтропия в этой реакции практически не меняется, процесс идет под чисто энергетическим контролем: энергия системы, содержащей растворенное железо и нерастворенную медь меньше, чем энергия системы, содержащей растворенную медь и нерастворенное железо (это связано с особенностями строения атомов железа и меди и может быть определено по значениям стандартных потенциалов восстановления двух этих металлов).

Однако чаще всего процессом управляют оба принципа одновременно. Их совместное действие описывается уравнением:

ΔG = ΔH - TΔS,

где ΔG (отрицательно, если свободная энергия системы уменьшается)- изменение свободной энергии системы, ΔH - поступление в систему или выход из системы энергии в форме теплоты (если система отдает энергию, ΔH отрицательно, поскольку собственная энергия системы при этом уменьшается), T - температура, а ΔS - изменение энтропии (положительно, если энтропия системы растет). Член, "отвечающий" за изменение энергии (ΔH) противоположен по знаку энтропийному члену TΔS как раз потому, что энергия стремится к минимуму, а энтропия - к максимуму. Процесс будет самопроизвольно протекать тогда и только тогда, когда в его результате свободная энергия системы уменьшится (ΔG < 0). При этом возможны различные сочетания энергетического и энтропийного факторов:

Как нетрудно заметить, чем выше температура, тем больший "вес" имеет энтропийный фактор. Это связано с тем, что при высокой температуре система имеет очень много энергии, которой хватает практически на любой процесс. Поэтому "можно не экономить" энергию, заботясь лишь о порядке.

Во многих случаях точное определение ΔG, ΔH и ΔS требует точных измерений, но нередко все видно сразу. Обсудим процессы переходов из одного агрегатного состояния в другие.

При переходе из менее конденсированного состояния в более конденсированное система отдает тепло окружающей среде. (Самое конденсированное состояние - твердое, поскольку частицы твердого вещества наиболее близко расположены друг к другу. Наименее конденсированное - газ. Жидкость - посерединке.) Это легко заметить, если, например, обратить внимание, как на улице резко теплеет в тот момент, когда начинает идти дождь или снег. Пары воды сконденсировались и отдали энергию окружающей среде, температура которой в том месте, где пошел дождь или снег, немного повысилась. Энтропийно процессы конденсирования (конденсация - переход из газа в жидкость, и замерзание - переход из жидкости в твердое состояние) невыгодны, потому что молекулы становятся более тесно расположены и более упорядочены. Таким образом, процессы конденсирования идут под энергетическим контролем.

При переходе из более конденсированного состояния в менее конденсированное система забирает тепло из окружающей среды. Каждый, кто выходил из воды на воздух, знает ощущения холода в первые секунды. Это связано с тем, что вода быстро испаряется с кожи и охлаждает ее. Поэтому процессы волатилизации (перехода в более летучие состояния) невыгодны энергетически. Но они выгодны энтропийно, потому что более летучие состояния намного более разупорядочены. То есть процессы волатилизации идут под энтропийным контролем.

ну, пожалуй, хватит. Думаю, теперь при необходимости мы сумеем разобраться с тем, какой фактор отвечает за тот или иной процесс.