Was ist ein spontaner Prozess?

Spontanität ist ein Begriff, der im Prinzip sehr intuitiv ist. Spontane Prozesse sind solche, die aufgrund unserer täglichen Erfahrung die „natürliche Weise“ darstellen, in der Dinge geschehen . Für uns ist es zum Beispiel ganz natürlich, dass, wenn wir einen Stein aus einer bestimmten Höhe fallen lassen, er zu Boden fällt. Es ist auch natürlich, dass, wenn wir ein Eis aus dem Kühlschrank nehmen und es der Sonne aussetzen, es irgendwann schmilzt, also sind alle diese Beispiele spontane Prozesse.

Wir können sogar das Leben selbst als eine unglaublich komplexe Kombination von Millionen von spontanen Prozessen verstehen, die gleichzeitig und koordiniert ablaufen, von der Aufnahme von Luft während der Atmung über die Aufnahme von Sauerstoff durch das Blut in den Lungenbläschen bis hin zur Produktion von ATP in den Mitochondrien, bis hin zur Verwendung von besagtem ATP, um die Muskelkontraktion aufrechtzuerhalten, die uns hilft, einen Stein in unserer Hand zu halten, und die Nervenimpulse, die uns dazu bringen, diese Muskeln zu entspannen, so dass wir loslassen und dann zu Boden fallen. Sie alle sind spontane Prozesse.

Was nicht spontan ist, ist, dass jeder der oben genannten Prozesse in die entgegengesetzte Richtung abläuft. Das heißt, es ist nicht natürlich oder spontan, dass ein Stein ohne äußeres Eingreifen plötzlich aus dem Boden springt und in einer Höhe von einem Meter in unserer Hand landet.

Thermodynamisches Konzept der Spontaneität

Spontanität, also die Eigenschaft, die einen Prozess spontan macht, ist ein sehr wichtiges Studiengebiet der Thermodynamik. Tatsächlich könnte man sagen, dass es das wichtigste Thema ist, das von diesem Wissenschaftszweig untersucht wird, da es uns erlaubt zu verstehen, warum sich Systeme auf natürliche Weise von einem Zustand in einen anderen entwickeln, und uns auch erlaubt, vorherzusagen, in welche Richtung sich ein System entwickeln wird bestimmte Anfangsbedingungen. Angesichts dessen muss ein spontaner Prozess eher technisch und ausgehend von den unterschiedlichen Konzepten dieses Wissensgebietes definiert werden.

In diesem Sinne besteht ein spontaner Prozess aus der zeitlichen Entwicklung eines thermodynamischen Systems von einem Anfangszustand zu einem Endzustand ohne den Beitrag irgendeiner Art von Energie aus einer externen Quelle, dh aus seiner Umgebung . Wir können es auch als die natürliche zeitliche Entwicklung eines isolierten Systems definieren, da diese Systeme definitionsgemäß in keiner Weise mit der Umgebung interagieren.

Aus der vorherigen Sichtweise und da das Universum, in dem wir leben, das einzige isolierte thermodynamische System par excellence ist, muss jeder Prozess, der im Universum abläuft, ein spontaner Prozess sein, da er, wenn er stattfand, ohne jeglichen Input geschah von dem, dass es außerhalb des Universums ist (wenn es dort etwas gibt).

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik und die thermodynamischen Kriterien der Spontaneität

Wie wir gerade erwähnt haben, ermöglicht die Untersuchung spontaner Prozesse der Thermodynamik zu verstehen, warum einige Prozesse spontan sind und warum andere nicht. Dies hat zur Aufstellung sogenannter Spontaneitätskriterien geführt, die im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zusammengefasst sind. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um Kriterien, mit denen wir beurteilen können, ob ein Prozess im vorgeschlagenen Sinne spontan ist oder nicht.

Dank dieser Studien konnte festgestellt werden, dass Spontaneität mit jenen Prozessen verbunden ist, die zum Abbau von Energie führen . Unter Dissipation von Systemenergie versteht man den Verlust einer konzentrierten und nutzbaren Energieform durch das System (z. B. potentielle Energie) in Form von thermischer Energie. Letzteres besteht aus der zufälligen und ungeordneten Bewegung der Teilchen, aus denen Materie besteht.

Die Menge an thermischer Energie, die während eines spontanen Prozesses dissipiert wird, wird durch die Entropieänderung des Prozesses (ΔS) quantifiziert. Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung eines thermodynamischen Systems, das allein von dem Zustand abhängt, in dem es sich befindet. Dies ermöglicht es uns, ein genaueres thermodynamisches Konzept für einen spontanen Prozess zu erstellen, ein Konzept, das sich gleichzeitig als eine der Möglichkeiten herausstellt, den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu formulieren:

In einem isolierten System ist ein spontaner Prozess ein Prozess, der die Dissipation von Energie beinhaltet und daher eine Zunahme der Entropie des Systems erzeugt (ΔS>0).

Globales Kriterium der Spontaneität

Dieses Konzept scheint wenig brauchbar zu sein, da es spontane Prozesse nur für isolierte Systeme definiert. Es lohnt sich also, sich zu fragen, was passiert, wenn man einen Prozess in einem offenen System wie zum Beispiel einer Zelle untersuchen will?

Die Antwort wurde bereits zuvor präsentiert. Es stellt sich heraus, dass der zweite Hauptsatz es uns, wie gesagt, tatsächlich ermöglicht, ein globales Spontaneitätskriterium aufzustellen, das für jede Art von System gilt, isoliert oder nicht.

Denken Sie daran, dass das Universum per Definition ein isoliertes System ist, daher impliziert der zweite Hauptsatz, dass jeder Prozess, der innerhalb des Universums abläuft, spontan ist, solange die Entropie des Universums zunimmt (ΔS Universum > 0 ₎ . Da jedes System, das wir uns vorstellen können, per Definition zum Universum gehört, wird jeder Prozess, der innerhalb eines Systems abläuft, sei es offen, geschlossen oder isoliert, auch innerhalb des Universums ablaufen. Folglich wird ein spontaner Prozess unabhängig von der Art des Systems einer sein, der eine Zunahme der Entropie des Universums erzeugt oder, was dasselbe ist, der zu einer Zunahme der Unordnung des Universums führt.

Weniger allgemeine Spontaneitätskriterien

Die Entropie des Universums liefert uns das allgemeine Kriterium, um einen spontanen Prozess zu definieren, jedoch ist es nicht immer einfach, die Entropieänderung für einige Prozesse zu berechnen. Angesichts dessen wurde eine Reihe thermodynamischer Kriterien für Prozesse aufgestellt, die unter ganz bestimmten Bedingungen ablaufen und die implizieren, dass die Variation der Entropie des Universums positiv sein wird. Diese Kriterien sind:

Von all diesen Kriterien ist die freie Gibbs-Energie das am häufigsten verwendete, da sie das Kriterium ist, das par excellence auf chemische Reaktionen angewendet wird. Dies gilt insbesondere auf dem Gebiet der Biochemie, wo die freie Gibbs-Energie es ermöglicht, die Richtung von Prozessen vorherzusagen, die von der Proteinsynthese bis zum Durchgang von Ionen durch Membrankanäle während des Aktionspotentials eines Neurons reichen.

Beispiele für spontane Prozesse

Verbrennungsreaktionen

Verbrennungsreaktionen sind exotherme Prozesse, bei denen ein organischer Brennstoff mit Sauerstoff verbunden wird, um je nach Zusammensetzung Kohlendioxid, Wasser und andere Produkte zu erzeugen. Wie wir wissen, sind diese Reaktionen spontan, da die Reaktion nach dem Entfachen der Flamme fortgesetzt wird, bis das begrenzende Reagenz verbraucht ist.

Die exotherme Natur dieser Prozesse bedeutet, dass ihre freie Gibbs-Energie immer negativ ist, weshalb diese Reaktionen immer spontan sind.

Phasenänderungen

Wenn wir eine feste Substanz in eine Umgebung bringen, deren Temperatur höher als ihr Schmelzpunkt ist, wird der Phasenwechsel vom festen in den flüssigen Zustand schließlich spontan erfolgen. Zum Beispiel schmilzt Eis, das an einem heißen Tag der Luft ausgesetzt ist.

Das Gegenteil ist auch wahr. Das heißt, wenn wir eine Flüssigkeit in ein Medium geben, dessen Temperatur unter ihrem Schmelzpunkt liegt, verfestigt sie sich spontan. Das passiert, wenn wir in einer kalten Winternacht flüssiges Wasser im Gefrierschrank oder draußen stehen lassen.

Der Verdampfungsprozess einer Flüssigkeit (Übergang von flüssig zu gasförmig) in einer Umgebung, in der diese Substanz sehr wenig im gasförmigen Zustand vorliegt, ist ebenfalls ein spontaner Prozess und erfordert kein Erhitzen bis zum Siedepunkt. Wir sehen das jeden Tag, wenn wir nasse Kleidung an der Luft trocknen lassen.

Verzögerung durch Reibung

Ein weiteres Beispiel für einen spontanen Prozess ist das Abwürgen oder Verlangsamen aufgrund von Reibung oder Reibung. Es ist eine alltägliche Beobachtung, dass Dinge, die auf jeder Oberfläche gleiten, egal wie poliert, am Ende langsamer werden und die gesamte kinetische Energie als Wärme auf die Oberfläche übertragen werden.

Wir können diesen gleichen spontanen Prozess auch beobachten, wenn Raumfahrzeuge wie das Space Shuttle der NASA oder die Crew Dragon-Kapsel von SpaceX nach dem Orbit wieder in die Erdatmosphäre eintreten. Die Verlangsamung ist so dramatisch und erzeugt so viel Hitze, dass die Luft in der Atmosphäre buchstäblich explodiert, die sich komprimiert und zu einem Plasmastrahl aufheizt, der sogar tagsüber zu sehen ist.

Dissipation der potentiellen Energie eines springenden Balls

Als letztes Beispiel haben wir, was mit einem Gummiball passiert, wenn wir ihn aus einer bestimmten Höhe auf den Boden fallen lassen. Zunächst besitzt die Kugel aufgrund ihrer Höhe potentielle Energie. Beim Loslassen wird die potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, wenn der Ball an Geschwindigkeit gewinnt. Beim Aufprall auf den Boden wird kinetische Energie in elastische potentielle Energie umgewandelt, da sich der Ball verformt. Dann wird diese Energie freigesetzt und der Ball springt.

Die Gesetze der Mechanik und der Energieerhaltung sagen voraus, dass der Ball auf die gleiche Höhe wie zuvor zurückspringen sollte, aber was wir beobachten, ist, dass der Ball immer weniger springt, bis er auf dem Boden zur Ruhe kommt. Dieser Prozess ist spontan und beruht auf der Tatsache, dass die anfängliche potentielle Energie in Form von Wärme durch Reibung mit der Luft und durch plastische Verformungen an der Oberfläche, auf der sie aufprallt, dissipiert wird.

Verweise

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