自发过程的推动力源于系统本身
任何过程从始态出发,到达终态,过程既然能够发生则必然有引起过程发生的推动力。众多教材在非平衡态热力学中的讲述中,把引起某种不可逆过程的原因归结为过程的热力学力。热力学力是产生能量流和物质流的推动力[3]189-190。热力学力是一种势函数,是强度量的差值[4] 63。推动普通热力学过程的势只有三种:T、p、,它们分别指热场、压力场和物质化学场的强度[9]。对于复杂系统还会有其他势场存在,如重力场、电场等,一旦过程实际发生,势能必做某种确定形式的转化或消耗。只要系统的始态和终态的势能存在差值,那么描述势函数的某种强度量就存在差值,这便是过程引发及进行的推动力[9]。自发过程的进行同样也必须有推动力存在。该推动力为强度量的差值,如温度差、压力差、化学势之差等。
“自发过程”中的“自”除了有“自动”之意外,还含有“自身”的意思。“自身”在物理化学中指所研究的系统本身[10],因此自发过程的推动力源于系统本身。
1.隔离系统内的自发过程
由于隔离系统不受环境干扰,因此过程的推动力必源于隔离系统内部。隔离系统内发生的不可逆过程必为自发过程。
隔离系统内部某种强度性质的不均匀,往往会引起自发变化。如将热水和冷水混合,由温差推动,最后至相同温度;压力不同的两种气体混合,因压差推动,最后达到相同的压力;浓度不同的两份同种溶液,因化学势之差推动,最后至溶液各处化学势相等。化学势是的函数,等温等压条件下不同浓度溶液的混合过程也可看成溶液从高浓度向低浓度的扩散过程。这些自发过程发生的推动力均源自系统内部。
2.封闭系统的自发过程
封闭系统与环境有能量交换,其自发性与否必然受环境影响。当系统的某种强度性质与环境的该种性质之差为正,即系统一侧的该强度量更大,则该过程发生的推动力源于系统,相应过程为自发过程。下面举例说明:
(1)系统的温度为推动力:热量从高温物体向低温物体传递。以高温物体为系统,低温物体为环境,因,故热量从高温的系统传向低温的环境为自发过程。
(2)系统的压力为推动力:理想气体等温膨胀过程,该过程为自发过程。
(3)系统的化学势为推动力:标准压力下室温条件下水的蒸发,此时液态水的化学势大于气态水的化学势。由于物质总是由化学势高的一相向化学势低的一相转移。以液态水为系统,其蒸发过程为自发过程。相反,某温度下水蒸气的冷凝过程,水蒸气的化学势大于液态水的化学势,以水蒸气为系统,冷凝过程为自发过程。
(4)系统的化学反应亲和势为推动力:化学反应亲和势A与各物质的化学势之间的关系为[4]189:。当A>0,或时,即反应物一侧的更大,因此反应可以正向进行,为自发反应。若把一个能够正向进行的化学反应设计成原电池,电路中会产生电流,便可以对外做电功。当今人们利用自发反应设计的原电池已经应用在国民经济和日常生活的诸多领域。
可见,封闭系统的自发过程都有一个共同的特点:存在一种强度性质,系统内部的该性质必然大于环境的该种强度性质,因此过程发生的推动力源于系统内部。至此自发过程可定义为推动力源于系统内部的过程。