فرآیندهای خودبه‌خودی در علم: تعریف، مثال‌ها و کاربردها
در دنیای اطراف ما، چه در علم شیمی، زیست‌شناسی یا فیزیک، پدیده‌ها و تغییرات به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: فرآیندهای خودبه‌خودی و فرآیندهای غیر خودبه‌خودی. هر کدام از این فرآیندها، ویژگی‌ها و شرایط خاص خود را دارند که تعیین‌کننده نحوه وقوع آن‌ها است.
فرآیند خودبه‌خودی چیست؟
یک فرآیند خودبه‌خودی، به فرآیندی گفته می‌شود که بدون نیاز به هیچ‌گونه انرژی خارجی رخ می‌دهد. به عبارت دیگر، این فرآیندها به طور طبیعی و به دلیل شرایط موجود در سیستم، به پیش می‌روند.
مثال‌هایی از فرآیندهای خودبه‌خودی:
- غلتیدن یک توپ از بالای تپه به پایین
- جریان آب از ارتفاع بالاتر به پایین‌تر
- ذوب شدن یخ در دمای اتاق
- فروپاشی رادیواکتیو
- زنگ زدن آهن
این فرآیندها به این دلیل خودبه‌خودی هستند که از نظر ترمودینامیکی مطلوب هستند. به بیان ساده‌تر، انرژی اولیه سیستم در این فرآیندها بیشتر از انرژی نهایی آن است.
نکته مهم: سرعت وقوع یک فرآیند، ارتباطی با خودبه‌خودی بودن آن ندارد. ممکن است زنگ زدن آهن سال‌ها طول بکشد تا به طور کامل مشهود شود، اما این فرآیند به هر حال به طور خودبه‌خودی رخ می‌دهد. همچنین، یک ایزوتوپ رادیواکتیو ممکن است در عرض چند ثانیه یا میلیاردها سال فروپاشی کند، اما در نهایت این اتفاق خواهد افتاد.
تفاوت فرآیندهای خودبه‌خودی و غیر خودبه‌خودی
فرآیند غیر خودبه‌خودی، دقیقا برعکس فرآیند خودبه‌خودی است. برای وقوع یک فرآیند غیر خودبه‌خودی، باید انرژی به سیستم اضافه شود. به عبارت دیگر، این فرآیندها به طور طبیعی رخ نمی‌دهند و نیازمند دخالت خارجی هستند.
به عنوان مثال، زنگ آهن به خودی خود به آهن تبدیل نمی‌شود و یک ایزوتوپ دختر، نمی‌تواند بدون دخالت، به حالت ایزوتوپ مادر خود بازگردد.
انرژی آزاد گیبس و خودبه‌خودی بودن
تغییرات در انرژی آزاد گیبس (ΔG) ابزاری قدرتمند برای تعیین خودبه‌خودی بودن یک فرآیند است. در دما و فشار ثابت، رابطه زیر برقرار است:
ΔG = ΔH - TΔS
در این معادله:
- ΔH: تغییرات آنتالپی
- T: دما (بر حسب کلوین)
- ΔS: تغییرات آنتروپی
نتیجه‌گیری:
- اگر ΔG منفی باشد، فرآیند خودبه‌خودی است.
- اگر ΔG مثبت باشد، فرآیند غیر خودبه‌خودی است (اما در جهت عکس، خودبه‌خودی خواهد بود).
- اگر ΔG صفر باشد، فرآیند در حالت تعادل است و هیچ تغییر خالصی در طول زمان رخ نمی‌دهد.
- شیمی
- علم
