Entropi, İstemlilik ve Gibbs Serbest Enerjisi
Entropi, düzensizliği tanımlamak için kullanılan bir terimdir. Entropi, diğer termodinamik hâl fonksiyonları gibi sadece deneysel yöntemlerle ölçülebilir. Entropi, kullanılamayan termal enerjinin bir ölçüsü olarak kabul edilir ve bu kullanılamayan termal enerji işe dönüşmeyen ısı enerjisi olarak bilinir. Aynı zamanda entropi, bir sistemin düzensizliği ve karmaşıklığının bir ölçüsü olarak da tanımlanabilir.
Entropi, bir maddenin moleküllerinin düzensizliği ile yakından ilişkilidir ve bu düzensizlik hal değişimlerini ifade edebilir. Örneğin, bir maddenin katı, sıvı ve gaz hâlleri arasındaki entropi miktarı şu şekilde sıralanabilir: “gaz entropisi > sıvı entropisi > katı entropisi.”
Entropi, S sembolü ile gösterilir ve birimi joule per kelvin per mol (J/K/mol) olarak ifade edilir. Entropideki değişim, ΔS olarak gösterilir ve bir sistemin entropisinin artması, yani düzensizliğinin artması, taneciklerin daha fazla özgürleşmesine yol açar ve bu da sistemin çevresine enerji verme eğilimini artırır.
A) Mutlak Entropi
Termodinamiğin 3. kanunu, mutlak sıfır noktasında bütün saf maddelerin kristallerinin sıfır entropiye sahip olduğunu belirtir. Bu nedenle mutlak entropi, maddenin sıcaklık arttıkça artar. Ancak saf olmayan kristaller, hatalı kristaller, katı çözeltiler ve cam gibi maddeler mutlak sıfır noktasında sıfır entropiye sahip değildir.
Mutlak sıfır noktasında madde, enerji bakımından tamamen hareketsizdir ve titreşim hareketleri durmuş bir mükemmel kristal olarak tanımlanır.
B) Standart Entropi
Standart entropi, 1 mol maddenin oda sıcaklığında (25°C) ve 1 atm basınç altındaki entropi değerini ifade eder. Entropi miktarındaki değişim, standart entalpi değişimi hesaplama yöntemi gibi şu şekilde hesaplanır:
ΔS° = ∑ΔS°(ürünler) – ∑ΔS°(girenler)
Bu formül, bir kimyasal reaksiyonun standart entropi değişimini hesaplamak için kullanılır.
İstemlilik, bir durumun doğal olarak gerçekleşme durumunu ifade eder. Eğer bir durum, bulunduğu çevre koşullarında doğal bir şekilde meydana geliyorsa, bu olay istemlidir. Ancak eğer bir durum kendiliğinden gerçekleşmiyorsa, istemsiz bir olay olarak kabul edilir. Örneğin, bir şelalenin suyunun denize doğru akması, kendiliğinden gerçekleşen istemli bir olaydır.
Termodinamik açıdan, istemli olaylar belirli koşullar altında (örneğin, 25 °C ve 1 atm gibi) kendiliğinden gerçekleşebilen tepkimeleri ifade ederken, istemsiz değişimler ise kendiliğinden gerçekleşmeyen tepkimeleri ifade eder. Bu bağlamda yanma tepkimeleri de kendiliğinden gerçekleşen istemli tepkimelerdir. Bir kez başladığında kendiliğinden devam ederler.
Entropi ile İstemlilik İlişkisi
Termodinamikte, istemli olaylar genellikle kullanılamayan termal enerjinin arttığı olaylar olarak kabul edilir ve bu enerji artışı sistemdeki entropiyi ifade eder. Standart entropi değişikliği aşağıdaki denklemle hesaplanabilir:
ΔS°tepki = ∑S°ürünler – ∑S°girenler
Bu denklem, bir tepkime sırasındaki entropi değişikliğini hesaplamak için kullanılırken, evrendeki toplam entropi değişimini hesaplamaz.
Evrendeki toplam entropi değişimi, aşağıdaki denklemle hesaplanır:
ΔS°evren = ΔS°sistem – ΔHsistem / T
Termodinamiğin II. Kanunu
Termodinamiğin İkinci Kanunu, istemlilik ve entropi arasındaki ilişkiyi açıklar. Bu kanun, şu şekilde ifade edilir:
“Her istemli olayda, evrenin toplam entropisi artar ve evren, zamanla bir dengeye yaklaşır.”
Evrendeki toplam entropi değişimi, sistemin ve çevrenin entropi değişimlerinin toplamına eşittir.
ΔStoplam = ΔSsis + ΔSort
- ΔStoplam > 0 ise değişim istemlidir (Olay kendiliğinden gerçekleşir).
- ΔStoplam = 0 ise sistem denge durumundadır.
- ΔStoplam < 0 ise değişim istemsizdir (Olay kendiliğinden gerçekleşmez).
Gibbs Serbest Enerjisi (G), termodinamiğin II. Kanunu bağlamında, sistem ve ortamın entropi değişikliklerini hesaplayamayacağımız durumlarda kullanılan bir termodinamik fonksiyondur. Bu enerji “G” ile sembolize edilir ve aşağıdaki denklemle ifade edilir:
ΔG = ΔHsis – TΔSsis
Gibbs serbest enerjisi başka bir şekilde “iş yapmaya hazır serbest enerji” olarak da tanımlanabilir. ΔG’nin değeri şu şekillerde yorumlanır:
- ΔG < 0 ise, olay kendiliğinden gerçekleşir, yani istemlidir. Bu durumda, toplam entropi değişimini bilmemize gerek yoktur; sadece entalpi değişiminin işaretinin negatif olduğunu bilmek yeterlidir. (Ekzotermik tepkimeler için tipiktir.)
- ΔG = 0 ise, sistem dengededir, yani tersinirdir.
- ΔG > 0 ise, olay istemsizdir.
Gibbs serbest enerjisi, bir değişimin istemliliğini etkileyen iki faktörü bir araya getirir: minimum enerji durumu ve entropideki artış eğilimi.
Standart Serbest Enerji Değişimi
Bir bileşiğin elementlerinden standart koşullarda oluşmasına ait tepkime serbest enerjisine “standart oluşum serbest enerjisi” denir. Elementlerin standart oluşum serbest enerjisinin sıfır olduğunu varsayabiliriz.
ΔG°tep = ∑nΔG°ürünler – ∑mΔG°girenler
Bu denklem, standart koşullarda bir tepkimenin Gibbs serbest enerji değişimini hesaplamak için kullanılır. Burada, n ve m stokiyometrik katsayılardır (denkleştirilmiş tepkime denkleminde moleküllerin önündeki katsayılar).