सहज प्रक्रिया

ऊष्मप्रवैगिकी में, एक सहज प्रक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जो सिस्टम में किसी बाहरी इनपुट के बिना होती है। एक अधिक तकनीकी परिभाषा एक प्रणाली का समय-विकास है जिसमें यह मुक्त ऊर्जा जारी करता है और यह कम, अधिक थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर ऊर्जा स्थिति (थर्मोडायनामिक संतुलन के करीब) में जाता है। नि: शुल्क ऊर्जा परिवर्तन के लिए साइन कन्वेंशन थर्मोडायनामिक माप के लिए सामान्य सम्मेलन का अनुसरण करता है, जिसमें सिस्टम से ऊर्जा की मुक्ति सिस्टम की मुक्त ऊर्जा में एक नकारात्मक परिवर्तन और परिवेश की मुक्त ऊर्जा में एक सकारात्मक परिवर्तन से मेल खाती है।

प्रक्रिया की प्रकृति के आधार पर, मुक्त ऊर्जा अलग तरह से निर्धारित की जाती है। उदाहरण के लिए, निरंतर दबाव और तापमान की स्थिति में होने वाली प्रक्रियाओं पर विचार करते समय गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन का उपयोग किया जाता है, जबकि निरंतर मात्रा और तापमान की स्थिति के तहत होने वाली प्रक्रियाओं पर विचार करते समय हेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा परिवर्तन का उपयोग किया जाता है। मूल्य और यहां तक ​​​​कि दोनों मुक्त ऊर्जा परिवर्तनों का संकेत तापमान और दबाव या मात्रा पर निर्भर कर सकता है।

क्योंकि सहज प्रक्रियाओं को सिस्टम की मुक्त ऊर्जा में कमी की विशेषता होती है, उन्हें ऊर्जा के बाहरी स्रोत द्वारा संचालित करने की आवश्यकता नहीं होती है।

एक पृथक प्रणाली से जुड़े मामलों के लिए जहां परिवेश के साथ कोई ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं किया जाता है, सहज प्रक्रियाओं को एन्ट्रापी में वृद्धि की विशेषता होती है।

एक सहज प्रतिक्रिया एक रासायनिक प्रतिक्रिया है जो ब्याज की शर्तों के तहत एक सहज प्रक्रिया है।

सिंहावलोकन

सामान्यतः, किसी प्रक्रिया की सहजता केवल यह निर्धारित करती है कि कोई प्रक्रिया घटित हो सकती है या नहीं और यह कोई संकेत नहीं देता है कि प्रक्रिया घटित होगी या नहीं। दूसरे शब्दों में, वास्तव में होने वाली प्रक्रिया के लिए सहजता एक आवश्यक, लेकिन पर्याप्त नहीं है। इसके अलावा, सहजता का उस गति पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है जिस पर सहज रूप से घटित हो सकता है।

एक उदाहरण के रूप में, हीरे का ग्रेफाइट में रूपांतरण कमरे के तापमान और दबाव पर एक सहज प्रक्रिया है। सहज होने के बावजूद, यह प्रक्रिया नहीं होती है क्योंकि मजबूत कार्बन-कार्बन बंधनों को तोड़ने के लिए ऊर्जा मुक्त ऊर्जा में मुक्ति से बड़ी होती है।

सहजता निर्धारित करने के लिए मुक्त ऊर्जा का उपयोग

निरंतर तापमान और दबाव पर होने वाली प्रक्रिया के लिए, गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन का उपयोग करके सहजता निर्धारित की जा सकती है, जो निम्न द्वारा दी गई है:

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

जहां ΔG का चिन्ह तापीय धारिता (ΔH) और एन्ट्रॉपी (ΔS) में परिवर्तन के संकेतों पर निर्भर करता है। यदि ये दो चिह्न समान हैं (दोनों धनात्मक या दोनों ऋणात्मक), तो ΔG का चिह्न T = ΔH/ΔS. तापमान पर धनात्मक से ऋणात्मक (या इसके विपरीत) में बदल जाएगा

ऐसे मामलों में जहां ΔG है:

• नकारात्मक, प्रक्रिया सहज है और लिखित रूप में आगे की दिशा में आगे बढ़ सकती है।
• सकारात्मक, प्रक्रिया लिखित रूप में गैर-स्फूर्त है, लेकिन यह विपरीत दिशा में अनायास आगे बढ़ सकती है।
• शून्य, प्रक्रिया संतुलन पर है, समय के साथ कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं हो रहा है।

ΔS और ΔH के संकेतों की जांच करके चार अलग-अलग मामलों को निर्धारित करने के लिए नियमों के इस सेट का उपयोग किया जा सकता है।

• जब ΔS > 0 और ΔH < 0, प्रक्रिया हमेशा लिखित रूप में सहज होती है।
• जब ΔS < 0 और ΔH > 0, प्रक्रिया कभी सहज नहीं होती है, लेकिन विपरीत प्रक्रिया हमेशा सहज होती है।
• जब ΔS> 0 और ΔH> 0, प्रक्रिया उच्च तापमान पर सहज और कम तापमान पर गैर-सहज होगी।
• जब ΔS < 0 और ΔH < 0, प्रक्रिया कम तापमान पर सहज और उच्च तापमान पर गैर-सहज होगी।

बाद के दो मामलों के लिए, जिस तापमान पर सहजता में परिवर्तन होता है, वह ΔS और ΔH के सापेक्ष परिमाण द्वारा निर्धारित किया जाएगा।

सहजता निर्धारित करने के लिए एंट्रॉपी का उपयोग करना

सहजता का आकलन करने के लिए किसी प्रक्रिया के एन्ट्रापी परिवर्तन का उपयोग करते समय, सिस्टम और परिवेश की परिभाषा पर सावधानीपूर्वक विचार करना महत्वपूर्ण है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम में कहा गया है कि यदि सिस्टम की एन्ट्रापी समय के साथ बढ़ती है तो एक पृथक प्रणाली को सम्मिलित करने वाली प्रक्रिया स्वतःस्फूर्त होगी। खुली या बंद प्रणालियों के लिए, तथापि, कथन को यह कहने के लिए संशोधित किया जाना चाहिए कि संयुक्त प्रणाली और परिवेश की कुल एन्ट्रापी में वृद्धि होनी चाहिए, या,

$$\Delta S_{\text{total}}=\Delta S_{\text{system}}+\Delta S_{\text{surroundings}}\geq 0\,.$$

इस कसौटी का उपयोग तब यह समझाने के लिए किया जा सकता है कि एक सहज प्रक्रिया के दौरान एक खुली या बंद प्रणाली की एन्ट्रापी कैसे घट सकती है। सिस्टम एन्ट्रॉपी में कमी केवल अनायास ही हो सकती है यदि परिवेश का एन्ट्रापी परिवर्तन संकेत में सकारात्मक हो और सिस्टम के एन्ट्रापी परिवर्तन की तुलना में बड़ा परिमाण हो:

$$\Delta S_{\text{surroundings}}>0$$

और

$$\left|\Delta S_{\text{surroundings}}\right|>\left|\Delta S_{\text{system}}\right|$$

कई प्रक्रियाओं में, परिवेश की एन्ट्रापी में वृद्धि सिस्टम से परिवेश में गर्मी हस्तांतरण के माध्यम से पूरी की जाती है (यानी एक एक्ज़ोथिर्मिक प्रक्रिया)।

यह भी देखें

• एंडर्जोनिक प्रतिक्रिया प्रतिक्रियाएं जो मानक तापमान, दबाव और सांद्रता पर सहज नहीं होती हैं।
• प्रसार सहज घटना जो गिब्स मुक्त ऊर्जा को कम करती है।