Gracias por la A2A! Y esta es una buena pregunta. Es uno con el que luché cuando estaba aprendiendo química y termodinámica.
Hay una sutileza aquí que Robert Reiland tocó y quiero expandir (Robert también tiene una excelente respuesta y le recomiendo que lea su primera).
Robert define la entropía como “desorden”, que es en general la forma en que hemos aprendido a interpretarlo a través de Boltzman y la termodinámica estadística. Sin embargo, la idea de la entropía es anterior a Boltzman en la época de Josiah Willard Gibbs y Rudolph Clausius. La entropía fue creada como un concepto para explicar por qué la energía no era perfectamente transferible de una forma a otra. Muchos científicos intentaban hacer mejores y mejores motores y, en ese momento, no había una buena manera de explicar por qué no se podía crear un dispositivo de movimiento perpetuo. En este sentido, la entropía (o más bien un aumento de la entropía) fue una medida de cuánta energía no se puede convertir para trabajar en un proceso a una temperatura dada . Este es un resultado importante.
Como Robert mencionó, la entropía siempre aumentará para un sistema aislado. Entonces, ¿qué significa esto para su ejemplo de reacción química? Bueno, una reacción química favorable tenderá a disminuir la energía interna del sistema. Entonces si tienes dos especies reaccionando para formar una tercera especie. La cantidad de cosas en su sistema disminuirá, disminuyendo así la cantidad de formas en que puede organizarlas. Esto se llama específicamente entropía de configuración [math] ^ 1 [/ math] y es de lo que habla la gente cuando generalmente mencionan “desorden”. Sin embargo, la energía liberada al hacer todos esos enlaces debe ir a algún lugar y generalmente se usará para calentar el sistema. Entonces, ¿qué hace todo este calor a la entropía?
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Bueno, la mejor manera de entenderlo es entender qué pasaría cuando te deshagas del calor. La Segunda ley de la termodinámica establece que el cambio en la entropía de un sistema es mayor o igual a la cantidad de calor que sale del sistema dividido por la temperatura del sistema. Entonces, al calentar el sistema o al eliminar el calor del sistema, también está aumentando su entropía. Entonces, la entropía disminuye debido al cambio en el número de moléculas y aumenta debido a la generación de calor de la reacción. ¿Cómo sabemos si uno u otro gana?
Esto nos lleva al concepto de si un proceso sucederá o no. En la termodinámica clásica, esta pregunta se responde pensando en la energía libre del sistema. Tener energía libre es básicamente tener el potencial de hacer algo con esa energía y, así como el sistema no tiene que aumentar demasiado en energía libre antes de que caiga, tenderá hacia la energía libre más pequeña posible [matemática] ^ 2 [/ math]. La energía libre es igual a la energía interna del sistema (capacidad de pensar para formar nuevos enlaces químicos) menos el producto, la temperatura del sistema y la entropía del sistema. Debe tener en cuenta tanto el hecho de que los enlaces tenderán a reducir la energía interna del sistema como la generación de entropía. Los procesos son favorables para ocurrir cuando se minimiza la diferencia de energía libre, por lo que un aumento en la entropía es favorable, mientras que una disminución en la energía interna también es favorable.
En su sistema, necesita calcular la energía libre del sistema (ya sea la energía libre de Gibbs o la energía libre de Helmholtz) para saber si ocurrirá una reacción o no. Entonces, si la disminución de energía de los enlaces supera la disminución de la entropía, entonces su reacción sucederá. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, la reacción se vuelve cada vez menos favorable (un resultado que puede ver en la definición de la energía libre). Sin embargo, si los bonos no son tan fuertes, entonces su reacción se producirá en pequeñas cantidades (quizás incluso cantidades de las que no vale la pena hablar), pero existen más posibilidades de que ocurra lo contrario y, en general, verá principalmente sus reactivos. sólo sentado allí.
Notas al pie:
1: El matrimonio entre la entropía de configuración y la entropía (termodinámica estadística) es, en mi opinión, uno de los resultados más hermosos de la termodinámica. Es difícil envolver la cabeza, pero ambos son iguales. Así que cuando hablé de que son una especie de dos cosas diferentes con la entropía debido a que la transferencia de calor es diferente de la entropía de configuración, me simplifiqué un poco. Resulta que el tipo de temperatura mancha los estados cuánticos disponibles para el sistema. Esto permite que el sistema acceda a muchos más estados y se “arregle” a sí mismo de muchas más formas. Si alcanza un nivel suficientemente avanzado, aprenderá acerca de las estadísticas de Bose – Einstein en este contexto.
Otra forma de pensar sobre la entropía es en términos de una carretera. Los automóviles se moverán de un punto a otro, pero pueden tomar muchos caminos diferentes para llegar allí. Como a las personas les gusta evitar la congestión, más autos podrán ir a un lugar específico si tienen muchos caminos para llegar allí. Los automóviles pueden moverse en todas direcciones en estas carreteras (supongamos que las personas viajan a lugares aleatorios) pero tienden a agruparse donde hay más carreteras. Esta es la estadística básica. La entropía funciona de la misma manera en que, mientras más formas pueda existir un sistema en un estado macro en particular (algunos estados descritos por temperatura, presión y volumen, por ejemplo), más a menudo el sistema estará en ese estado. Estas “formas” se denominan microestados del sistema y, de nuevo, llegan hasta el nivel cuántico.
2: Puede hacer un gráfico del “paisaje” de energía libre de un sistema que mostrará energía libre en función de alguna otra variable (tiempo, extensión de la reacción, etc.). El sistema siempre se inicia en un mínimo local porque, de lo contrario, se transferiría a otro mínimo a cualquier temperatura que no sea cero. El sistema es generalmente estable en cierta medida y en todas las direcciones debe aumentar la energía libre. Sin embargo, a menudo este aumento es solo un poco y, por lo tanto, las fluctuaciones térmicas del sistema darán a las personas la energía suficiente para superar esta barrera. Esto se llama energía de activación y aparece en la ecuación de Arrhenius. Básicamente esto significa que cuanto más grande es la barrera, más lenta es la reacción. Por ejemplo, el grafito representa un estado de menor energía que el diamante, pero pasará mucho tiempo LARGO antes de que vea que su anillo de diamante se convierte en un anillo de grafito. Esto es porque la barrera de energía es tan grande. Entonces, incluso si un proceso tiene una disminución favorable en la energía libre, aún lo necesita para llegar allí, y eso a menudo involucra estados intermedios (como romper enlaces) que aumentan la energía del sistema. La ecuación de Arrhenius te dice cuánto aumentará la velocidad de reacción un aumento de energía y, por lo tanto, aumentará la cantidad de tiempo que necesitas para esperar que ocurra la reacción.