תהליך ספונטני

בתרמודינמיקה, תהליך ספונטני (או תהליך מאליו) הוא שינוי בזמן של מערכת המתרחש ללא צורך השקעת אנרגיה במערכת. למשל: קרח שמפשיר בתוך כוס מים חמים, בושם שמפעפע בחדר, או ברזל שמחליד במגע עם אוויר.

במהלך תגובה ספונטנית, האנטרופיה הכללית (של המערכת והסביבה) עולה. במקביל, המערכת משחררת אנרגיה חופשית, ונעה למצב נמוך יותר באנרגיה ויציב יותר מבחינה תרמודינמית. האנרגיה החופשית הרלוונטית תלויה באופי המערכת: בתהליך המתרחש בלחץ וטמפרטורה קבועים משתמשים באנרגיה חופשית של גיבס ואילו לתיאור תהליך המתרחש בתנאי נפח קבוע משתמשים באנרגיה חופשית של הלמהולץ.

יחסי אנתלפיה-אנטרופיה

תגובות כימיות רבות מתרחשות בתנאי לחץ וטמפרטורה קבועים, לכן הספונטניות של התגובה תלויה בשינוי באנרגיה החופשית של גיבס - $\Delta G$.

נהוג להגדיר את השינוי באנרגיה החופשית כחיובי אם המערכת מקבלת אליה אנרגיה מהסביבה, וכשלילי אם המערכת מאבדת אנרגיה אל הסביבה. לכן, אפשר לנסח מחדש תנאי לספונטניות כאי-שוויון: $\Delta G<0$. מצד שני, כאשר $\Delta G>0$, הרי שהאנרגיה החופשית של הסביבה קטנה, ולכן גם אז יתרחש תהליך ספונטני - אבל בכיוון ההפוך. כדי שמערכת תהיה בשיווי משקל, חייב להתקיים $\Delta G=0$.

כדי להבין טוב יותר את הגורמים השונים להתרחשות תגובה באופן ספונטני, נהוג לפרק האנרגיה החופשית לשני איברים - איבר אנתלפיה ואיבר אנטרופיה (התלוי בטמפרטורה) - בעזרת הזהות:

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

כאשר:

$\Delta H$ הוא השינוי באנתלפיה

$T$ היא הטמפרטורה בסולם קלווין

$\Delta S$ הוא השינוי באנטרופיה

ניתן להבחין ב-4 אפשרויות:

1. כאשר $\Delta S$ חיובי ו-$\Delta H$ שלילי התהליך יהיה ספונטני
2. כאשר $\Delta S$ חיובי ו-$\Delta H$ חיובי התהליך יהיה ספונטני בטמפרטורה גבוהה
3. כאשר $\Delta S$ שלילי ו-$\Delta H$ שלילי התהליך יהיה ספונטני בטמפרטורות נמוכות (כאשר לאקסותרמיות יש חשיבות רבה)
4. כאשר $\Delta S$ שלילי ו-$\Delta H$ חיובי התהליך לא יהיה ספונטני באף טמפרטורה (והתהליך הפוך יהיה ספונטני תמיד)

בתהליך ספונטני האנטרופיה הכללית של היקום (המערכת והסביבה) גדלה. תיתכן תגובה ספונטנית בה האנטרופיה של המערכת תרד (למשל קפיאה של מים או הפרדה בין פאזות) אבל תגובות כאלו תמיד אקסותרמיות (ΔH שלילי) והחום הנפלט גורם לעליה באנטרופיה של הסביבה הגדולה מהירידה באנטרופיה של המערכת. בסך הכל מתקיים $\Delta S=\Delta S$(סביבה)$\Delta S+$(מערכת)$0<$
במערכת מבודדת, כאשר אין חילופי חום או חומר עם הסביבה, האנטרופיה חייבת לגדול (במערכת כזו לא תיתכן תגובה בה לתוצרים אנטרופיה נמוכה משל המגיבים).

הספונטניות של תהליך אינה מחייבת כי הוא יתרחש במהירות: כך למשל התגובה להפיכת יהלום לגרפיט היא ספונטנית אלא שאנרגיית השפעול הגבוהה גורמת לכך שהתהליך איטי מאוד.

ראו גם

• ארגון עצמי
• בעירה ספונטנית