Номер 1, страница 133 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 19. Направление протекания химических реакций. Понятие об энтропии - номер 1, страница 133.

Условие.

1. Объясните, что такое энтропия. Какую роль энтропийный фактор играет в определении возможности самопроизвольного протекания процесса?

Решение.

Решение 2.

Энтропия (обозначается как $\text{S}$) — это фундаментальное понятие в термодинамике и статистической физике, которое является мерой беспорядка, хаотичности или неопределенности системы. Чем выше энтропия, тем более неупорядочено состояние системы. С точки зрения статистической механики, энтропия пропорциональна логарифму числа микроскопических состояний (микросостояний), которыми может быть реализовано данное макроскопическое состояние. Это выражается знаменитой формулой Больцмана:

$S = k \cdot \ln W$

где $\text{k}$ — постоянная Больцмана, а $\text{W}$ — термодинамическая вероятность, то есть число способов, которыми можно достичь данного состояния. Например, газ обладает большей энтропией, чем жидкость, а жидкость — большей, чем твердое тело, поскольку молекулы в газе имеют больше степеней свободы и могут занимать гораздо большее число положений в пространстве.

Роль энтропийного фактора в определении возможности самопроизвольного протекания процесса является ключевой и описывается вторым началом термодинамики. Для определения направления процесса в неизолированных системах (что характерно для большинства химических реакций) используется энергия Гиббса ($\text{G}$), изменение которой ($\Delta G$) при постоянной температуре ($\text{T}$) и давлении ($\text{P}$) связано с изменением энтальпии ($\Delta H$) и энтропии ($\Delta S$) следующим уравнением:

$\Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S$

Процесс может протекать самопроизвольно только в том случае, если изменение энергии Гиббса отрицательно ($\Delta G < 0$). В этом уравнении есть два конкурирующих фактора:

• Энтальпийный фактор ($\Delta H$), который отражает стремление системы к достижению состояния с минимальной энергией. Экзотермические процессы ($\Delta H < 0$), идущие с выделением тепла, энергетически выгодны.

• Энтропийный фактор ($T \cdot \Delta S$), который отражает стремление системы к достижению наиболее вероятного, то есть наиболее неупорядоченного состояния. Процессы, сопровождающиеся ростом энтропии ($\Delta S > 0$), являются энтропийно выгодными.

Таким образом, энтропийный фактор ($T \cdot \Delta S$) наравне с энтальпийным определяет, будет ли процесс самопроизвольным. Увеличение энтропии ($\Delta S > 0$) вносит отрицательный вклад в величину $\Delta G$ (через член $- T \cdot \Delta S$), тем самым способствуя самопроизвольному протеканию процесса. В некоторых случаях энтропийный фактор может быть доминирующим. Например, процесс растворения многих солей в воде или таяние льда при температуре выше 0°C являются эндотермическими ($\Delta H > 0$), но протекают самопроизвольно, так как значительное увеличение беспорядка системы ($\Delta S > 0$) делает общий итог ($\Delta G$) отрицательным. Влияние энтропийного фактора также усиливается с ростом температуры, что видно из множителя $\text{T}$ в уравнении.

Ответ: Энтропия — это мера термодинамического беспорядка или хаоса в системе. Энтропийный фактор ($T \cdot \Delta S$) является одной из двух движущих сил самопроизвольного процесса (наряду с энтальпийным фактором $\Delta H$). Он отражает фундаментальную тенденцию систем переходить в более вероятное, неупорядоченное состояние. Процессы, сопровождающиеся увеличением энтропии ($\Delta S > 0$), становятся более вероятными, и этот эффект усиливается с ростом температуры. Возможность самопроизвольного протекания процесса определяется балансом между энтальпийным и энтропийным факторами, который выражается через изменение энергии Гиббса: $\Delta G = \Delta H - T \cdot \Delta S$. Процесс самопроизволен, если $\Delta G < 0$.