Tabla de Contenidos
ความเป็นธรรมชาติเป็นแนวคิดที่โดยหลักการแล้วใช้งานง่ายมาก กระบวนการที่เกิดขึ้นเองเป็นกระบวนการที่แสดง ถึง“วิถีทางธรรมชาติ” ซึ่งสิ่งต่างๆ เกิดขึ้นจากประสบการณ์ประจำวันของเรา ตัวอย่างเช่น สำหรับเรา เป็นเรื่องธรรมดาที่หากเราปล่อยก้อนหินลงมาจากความสูงระดับหนึ่ง ก้อนหินก็จะตกลงสู่พื้น เป็นเรื่องปกติเช่นกันที่หากเรานำไอศกรีมออกจากตู้เย็นและปล่อยให้โดนแดด ในที่สุดมันก็จะละลาย ดังนั้นตัวอย่างเหล่านี้จึงเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง
เราสามารถเข้าใจชีวิตได้ว่าเป็นการผสมผสานที่ซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อของกระบวนการที่เกิดขึ้นเองนับล้านที่เกิดขึ้นพร้อมกันและในลักษณะที่ประสานกัน ตั้งแต่การรับอากาศเข้าระหว่างการหายใจ การดูดซึมออกซิเจนจากเลือดในถุงลมปอด และการผลิตเอทีพี ในไมโทคอนเดรีย ไปจนถึงการใช้ ATP ดังกล่าวในการรักษาการหดตัวของกล้ามเนื้อที่ช่วยให้เราถือก้อนหินไว้ในมือและกระตุ้นกระแสประสาทที่ทำให้เราผ่อนคลายกล้ามเนื้อเหล่านี้เพื่อให้เราปล่อยมือแล้วตกลงสู่พื้น ล้วนเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง
สิ่งที่ไม่เป็นธรรมชาติคือกระบวนการใด ๆ ข้างต้นเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม กล่าวคือ ไม่ใช่เรื่องธรรมชาติหรือเกิดขึ้นเองที่ก้อนหินจะพุ่งขึ้นมาจากพื้นอย่างกะทันหันโดยไม่มีการแทรกแซงจากภายนอกและตกลงสู่มือของเราที่ความสูงหนึ่งเมตร
แนวคิดทางอุณหพลศาสตร์ของความเป็นธรรมชาติ
ความเป็นธรรมชาติ กล่าวคือ คุณภาพที่ทำให้กระบวนการเกิดขึ้นเอง เป็นสาขาวิชาที่สำคัญมากในด้านอุณหพลศาสตร์ ในความเป็นจริง อาจกล่าวได้ว่าเป็นวิชาที่สำคัญที่สุดที่ศึกษาโดยศาสตร์สาขานี้ เนื่องจากช่วยให้เราเข้าใจว่าทำไมระบบจึงวิวัฒนาการตามธรรมชาติจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่ง และยังช่วยให้เราสามารถทำนายได้ว่าระบบจะวิวัฒนาการไปในทิศทางใด เงื่อนไขเริ่มต้นบางอย่าง ในมุมมองนี้ กระบวนการที่เกิดขึ้นเองต้องถูกกำหนดด้วยวิธีทางเทคนิคที่มากขึ้นและขึ้นอยู่กับแนวคิดที่แตกต่างกันของความรู้ด้านนี้
ในแง่นี้ กระบวนการที่เกิดขึ้นเองประกอบด้วยวิวัฒนาการตามเวลาของระบบอุณหพลศาสตร์ตั้งแต่สถานะเริ่มต้นไปจนถึงสถานะสุดท้าย โดยไม่มีพลังงานประเภทใดๆ จากแหล่งภายนอกเข้ามาเกี่ยวข้อง นั่นคือจากสภาพแวดล้อม เราสามารถนิยามได้ว่าเป็นวิวัฒนาการตามธรรมชาติในช่วงเวลาของระบบที่แยกตัวออกมา เนื่องจากตามคำนิยามแล้ว ระบบเหล่านี้ไม่มีปฏิสัมพันธ์ใดๆ กับสิ่งรอบข้าง
จากมุมมองก่อนหน้านี้และระบุว่าเอกภพที่เราอาศัยอยู่เป็นระบบอุณหพลศาสตร์เพียงระบบเดียวที่มีความเป็นเลิศ ทุกๆ กระบวนการที่เกิดขึ้นในเอกภพจะต้องเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง เนื่องจากหากเกิดขึ้น จะเกิดขึ้นเองโดยไม่มีข้อมูลใดๆ จากที่มันอยู่นอกจักรวาล (ถ้ามีบางอย่างอยู่ที่นั่น)
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์และเกณฑ์อุณหพลศาสตร์ของความเป็นธรรมชาติ
ดังที่เราได้กล่าวถึงเมื่อสักครู่ที่ผ่านมา การศึกษากระบวนการที่เกิดขึ้นเองช่วยให้อุณหพลศาสตร์เข้าใจว่าทำไมกระบวนการบางอย่างจึงเกิดขึ้นเองและทำไมกระบวนการอื่นๆ ไม่เป็นเช่นนั้น สิ่งนี้นำไปสู่การกำหนดสิ่งที่เรียกว่าเกณฑ์ความเป็นธรรมชาติ ซึ่งสรุปไว้ในกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ตามชื่อที่แนะนำ สิ่งเหล่านี้เป็นเกณฑ์ที่ช่วยให้เราสามารถประเมินว่ากระบวนการเกิดขึ้นเองตามความหมายที่เสนอหรือไม่
จากการศึกษาเหล่านี้ ทำให้สามารถพิสูจน์ได้ว่าความ เป็น ธรรมชาตินั้นสัมพันธ์กับกระบวนการต่างๆ ที่นำไปสู่การสลายพลังงาน การกระจายพลังงานของระบบเป็นที่เข้าใจกันว่าหมายถึงการสูญเสียพลังงานที่มีความเข้มข้นและใช้งานได้โดยระบบ (เช่น พลังงานศักย์) ในรูปของพลังงานความร้อน ส่วนหลังประกอบด้วยการเคลื่อนที่แบบสุ่มและไม่เป็นระเบียบของอนุภาคที่ประกอบกันเป็นสสาร
ปริมาณของพลังงานความร้อนที่กระจายไปในระหว่างกระบวนการที่เกิดขึ้นเองจะถูกวัดโดยการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของกระบวนการ (ΔS) เอนโทรปีเป็นการวัดความผิดปกติของระบบอุณหพลศาสตร์ที่ขึ้นอยู่กับสถานะที่พบเอนโทรปีเท่านั้น สิ่งนี้ทำให้เราสามารถสร้างแนวคิดทางอุณหพลศาสตร์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นว่ากระบวนการที่เกิดขึ้นเองคืออะไร ซึ่งเป็นแนวคิดที่กลายเป็นหนึ่งในวิธีการระบุกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในเวลาเดียวกัน:
ในระบบที่แยกเดี่ยว กระบวนการที่เกิดขึ้นเองเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการกระจายพลังงาน และด้วยเหตุนี้จึงสร้างเอนโทรปีของระบบเพิ่มขึ้น (ΔS>0)
เกณฑ์สากลของความเป็นธรรมชาติ
แนวคิดนี้ดูเหมือนจะมีประโยชน์เพียงเล็กน้อย เนื่องจากเป็นการกำหนดกระบวนการที่เกิดขึ้นเองสำหรับระบบแยกเท่านั้น คงจะคุ้มค่าที่จะถามตัวเองว่า จะเกิดอะไรขึ้นหากเราต้องการศึกษากระบวนการในระบบเปิด เช่น เซลล์
คำตอบได้ถูกนำเสนอไปแล้วก่อนหน้านี้ ปรากฎว่ากฎข้อที่สองตามที่ระบุไว้จริง ๆ แล้วอนุญาตให้เราสร้างเกณฑ์ความเป็นธรรมชาติสากลที่ใช้กับระบบประเภทใดก็ได้ ไม่ว่าจะแยกหรือไม่ก็ตาม
โปรดจำไว้ว่าตามคำนิยามแล้ว เอกภพเป็นระบบที่โดดเดี่ยว ดังนั้นกฎข้อที่ สองจึงบอกเป็นนัยว่ากระบวนการใดๆ ที่เกิดขึ้นภายในเอกภพจะเกิดขึ้นเอง ตราบใดที่เอนโทรปีของเอกภพเพิ่มขึ้น (ΔS Universe >0 ) เนื่องจากระบบใด ๆ ที่เราสามารถจินตนาการตามคำจำกัดความนั้นเป็นของเอกภพ ดังนั้นกระบวนการใด ๆ ที่เกิดขึ้นภายในระบบ ไม่ว่าจะเป็นแบบเปิด ปิด หรือโดดเดี่ยว ก็จะเกิดขึ้นภายในเอกภพเช่นกัน ดังนั้น โดยไม่คำนึงถึงประเภทของระบบ กระบวนการที่เกิดขึ้นเองจะเป็นกระบวนการหนึ่งที่ก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีของเอกภพ หรือสิ่งเดียวกันที่นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความไม่เป็นระเบียบของเอกภพ
เกณฑ์ความเป็นธรรมชาติทั่วไปน้อยกว่า
เอนโทรปีของเอกภพให้เกณฑ์ทั่วไปแก่เราเพื่อกำหนดกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง อย่างไรก็ตาม การคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีสำหรับบางกระบวนการนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป ในมุมมองนี้ เกณฑ์ทางอุณหพลศาสตร์หลายชุดได้ถูกกำหนดขึ้นสำหรับกระบวนการที่เกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขที่เฉพาะเจาะจงมาก และนั่นหมายความว่าการแปรผันของเอนโทรปีของเอกภพจะเป็นบวก เกณฑ์เหล่านี้คือ:
เงื่อนไข | คุณสมบัติของระบบ | เกณฑ์ความเป็นธรรมชาติ |
กระบวนการที่ U และ V คงที่ (ระบบแยก) | เอนโทรปี (S) | ΔS>0 |
กระบวนการที่ค่าคงที่ P และ T | พลังงานกิ๊บส์ฟรี (G) | ΔG<0 |
กระบวนการที่ V และ T คงที่ | พลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์ (A) | ΔA<0 |
กระบวนการที่ V และ S คงที่ | พลังงานภายใน (U) | ΔU<0 |
จากเกณฑ์ทั้งหมดเหล่านี้ เกณฑ์ที่ใช้กันมากที่สุดคือพลังงานที่ไม่มีกิบส์ เนื่องจากเป็นเกณฑ์ที่ใช้ความเป็นเลิศในปฏิกิริยาเคมี นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านชีวเคมี ซึ่งพลังงานอิสระของกิบส์ช่วยให้สามารถทำนายทิศทางของกระบวนการต่างๆ ตั้งแต่การสังเคราะห์โปรตีนไปจนถึงการผ่านของไอออนผ่านช่องเยื่อหุ้มเซลล์ระหว่างศักยะงานของเซลล์ประสาท .
ตัวอย่างของกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง
ปฏิกิริยาการเผาไหม้
ปฏิกิริยาการเผาไหม้เป็นกระบวนการคายความร้อนที่เชื้อเพลิงอินทรีย์รวมกับออกซิเจนเพื่อผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ ดังที่เราทราบ ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นเอง เนื่องจากเมื่อเกิดเปลวไฟแล้ว ปฏิกิริยาจะยังคงเกิดขึ้นต่อไปจนกว่าจะใช้รีเอเจนต์ที่จำกัดจนหมด
ธรรมชาติของการคายความร้อนของกระบวนการเหล่านี้หมายความว่าพลังงานอิสระของ Gibbs นั้นเป็นลบเสมอ ซึ่งเป็นสาเหตุที่ปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นเองเสมอ
การเปลี่ยนแปลงเฟส
เมื่อเราวางสารที่เป็นของแข็งไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลว การเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวจะเกิดขึ้นเองในที่สุด ตัวอย่างเช่น น้ำแข็งที่สัมผัสกับอากาศในวันที่อากาศร้อนจะละลาย
ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน นั่นคือถ้าเราวางของเหลวในตัวกลางที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ของเหลวจะแข็งตัวโดยธรรมชาติ นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเราทิ้งน้ำที่เป็นของเหลวไว้ในช่องแช่แข็งหรือข้างนอกในคืนฤดูหนาวที่หนาวเย็น
กระบวนการระเหยของของเหลว (เปลี่ยนจากของเหลวเป็นก๊าซ) เมื่ออยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีสารนี้อยู่ในสถานะก๊าซน้อยมากก็เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองเช่นกัน และไม่ต้องการความร้อนจนถึงจุดเดือด เราเห็นสิ่งนี้ทุกวันเมื่อเราปล่อยให้ผ้าเปียกผึ่งลมให้แห้ง
การชะลอตัวเนื่องจากแรงเสียดทาน
อีกตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการที่เกิดขึ้นเองคือการหยุดชะงักหรือช้าลงเนื่องจากการเสียดสีหรือการขัดถู เป็นสิ่งที่สังเกตได้ทุกวันว่าสิ่งของที่เลื่อนไปบนพื้นผิวใดๆ ไม่ว่าจะขัดเงาแค่ไหน ท้ายที่สุดจะช้าลงและกระจายพลังงานจลน์ทั้งหมดเมื่อความร้อนถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิว
นอกจากนี้ เรายังสามารถเห็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองแบบเดียวกันนี้เมื่อยานอวกาศ เช่น กระสวยอวกาศของ NASA หรือแคปซูล Crew Dragon ของ SpaceX กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกอีกครั้งหลังการโคจร การชะลอตัวนั้นน่าทึ่งมากและก่อให้เกิดความร้อนมากจนระเบิดอากาศในชั้นบรรยากาศ ซึ่งบีบอัดและร้อนขึ้นเป็นพลาสมาเจ็ตที่สามารถมองเห็นได้แม้ในระหว่างวัน
การกระจายพลังงานศักย์ของลูกบอลที่กระดอน
ในตัวอย่างสุดท้าย เรามีสิ่งที่เกิดขึ้นกับลูกบอลยางเมื่อเราปล่อยมันลงบนพื้นจากความสูงระดับหนึ่ง ในตอนแรก ลูกบอลมีพลังงานศักย์เนื่องจากความสูง เมื่อปล่อยออกมา พลังงานศักย์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์เมื่อลูกบอลมีความเร็วเพิ่มขึ้น เมื่อกระทบพื้น พลังงานจลน์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ยืดหยุ่นเมื่อลูกบอลเปลี่ยนรูป จากนั้นพลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาและลูกบอลจะกระดอน
กฎของกลศาสตร์และการอนุรักษ์พลังงานทำนายว่าลูกบอลควรจะเด้งกลับไปสูงเท่าเดิม แต่ที่เราสังเกตเห็นคือลูกบอลจะกระดอนน้อยลงเรื่อยๆ จนกระทั่งมาหยุดอยู่ที่พื้น กระบวนการนี้เกิดขึ้นเองและเกิดจากความจริงที่ว่าพลังงานศักย์เริ่มต้นถูกกระจายออกไปในรูปของความร้อนเนื่องจากการเสียดสีกับอากาศและเนื่องจากการเสียรูปของพลาสติกบนพื้นผิวที่มันกระดอน
อ้างอิง
Atkins, P., & dePaula, J. (2010). แอตกินส์ เคมีเชิงฟิสิกส์ ( ฉบับ ที่ 8 ) บรรณาธิการการแพทย์ Panamerican
ช้าง ร. (2545). ฟิสิกส์เคมี ( ฉบับ ที่ 1 ) MCGRAW HILL การศึกษา
กระบวนการที่เกิดขึ้นเอง (น). โรงเรียนมัธยมเอจีบี. https://www.liceoagb.es/quimigen/termo7.html
Ricardo, R. (2020, 9 กันยายน). ▷ กระบวนการ ที่เกิด ขึ้นเอง: คำจำกัดความและตัวอย่าง กำลังเรียน. https://estudyando.com/proceso-espontaneo-definicion-y-ejemplos/
ยูนัม (น). เกณฑ์ความรับผิดชอบ ภาควิชาฟิสิกส์เคมีของ UNAM http://depa.fquim.unam.mx/~fermor/blog/programas/2010clase1.pdf