17.1: Spontanlık
Spontan bir süreç, belirli koşullar altında doğal olarak meydana gelen bir süreçtir. Öte yandan, spontan olmayan bir süreç, harici bir kaynaktan sürekli enerji girişi ile “sürdürülmezse” gerçekleşmeyecektir. Süreçler, belirli bir koşullar kümesi altında bir yönde meydana gelmek için doğal bir eğilime sahiptir. Su, doğal olarak yokuş aşağı akacaktır (spontan süreç), ancak yokuş yukarı akış (spontan olmayan süreç) bir pompa kullanımı gibi dış müdahale gerektirir. Dünya’nın atmosferine maruz kalan demir korozyona uğrayacaktır (spontan süreç), ancak pas, kasıtlı kimyasal işlem yapılmadan demire (spontan olmayan süreç) dönüştürülmez. Belirli bir koşullar kümesi altında bir yönde kendiliğinden olan bir süreç, ters yönde spontan değildir. Oda sıcaklığında ve tipik atmosfer basıncında, örneğin, buz kendiliğinden erir, ancak su kendiliğinden donmaz.
Spontanlık, Reaksiyon Hızından Bağımsızdır
Bir işlemin spontanlığı, işlemin hızı ile ilişkili değildir. Bir katalizör, bir işlemi hızlandırmak veya yavaşlatmak için kullanılabilirken, varlığı kendiliğindenliği etkilemez: spontan olmayan reaksiyonlar bir katalizör kullanılarak kendiliğinden yapılamaz. Spontan bir değişim, o kadar hızlı olabilir ki, esasen anlık veya o kadar yavaştır ki, herhangi bir pratik süre boyunca gözlemlenemez. Bu kavramı göstermek için radyoaktif izotopların bozunmasını düşünün. Radyoaktif bozunma, tanım olarak, kararsız izotopların çekirdeklerinin daha kararlı çekirdeklere dönüştürüldüklerinde radyasyon yaydığı spontan bir süreçtir. Tüm bozunma süreçleri kendiliğinden gerçekleşir, ancak farklı izotopların bozunma oranları büyük ölçüde değişir. Teknesyum-99m, nispeten hızlı bozunma geçiren ve yaklaşık altı saatlik bir yarı ömür sergileyen tıbbi görüntüleme çalışmaları için popüler bir radyoizotoptur. Uranyum-238, uranyumun en bol izotopudur ve bozunması çok daha yavaş gerçekleşir ve dört milyar yıldan fazla bir yarı ömür gösterir.
Maddenin ve Enerjinin Dağılması
Kapalı bir valfe bağlı iki şişeden oluşan izole bir sistem düşünün. Başlangıçta, bir şişede ideal bir gaz vardır ve diğer şişe boştur. Valf açıldığında, gaz her iki şişeyi de eşit şekilde doldurmak için kendiliğinden genişler. Sistem izole edildiğinden, çevre ile ısı değiştirilmemiştir. Bu nedenle, bu sürecin spontanlığı, sürece eşlik eden enerjideki herhangi bir değişikliğin bir sonucu değildir. Bunun yerine, itici güç, gazın genişlemesine izin verildiğinde ortaya çıkan maddenin daha büyük, daha düzgün dağılmasıyla ilişkili görünmektedir.
Şimdi farklı sıcaklıklarda iki nesne düşünün: X nesnesi TX sıcaklıkta ve y nesnesi TYsıcaklıkta ve TX > TY. Bu nesneler temas ettiğinde, ısı kendiliğinden daha sıcak nesneden (X) daha soğuk olana (Y) akar. Bu, X tarafından termal enerji kaybına ve Y tarafından termal enerji kazancına karşılık gelir. Bu ikili nesne sistemi açısından, net kazanç veya termal enerji kaybı yoktu; daha ziyade mevcut termal enerji iki nesne arasında yeniden dağıtıldı. Bu spontan süreç, enerjinin daha düzgün bir şekilde dağılmasına neden oldu.
İki süreç tarafından gösterildiği gibi, bir sürecin spontanlığını belirlemede önemli bir faktör, maddenin ve/veya enerjinin dağılımını veya dağılımını ne ölçüde değiştirdiğidir. Her durumda, daha düzgün bir madde veya enerji dağılımı ile sonuçlanan spontan bir süreç meydana geldi.
Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.1: Spontaneity.