自發性程序 Spontaneous Processes

化學原理啟迪231

1.      如果一個反應不需要任何的外力介入就會進行，這個反應就是自發性的spontaneous。

2.      熱力學能告訴我們反應朝哪個方向進行，但無法說明反應速率；有許多因素影響反應速率，包括溫度和濃度。

3.      化學動力學原理（反應速率的研究）描述一個化學反應的重點在於，反應物與產物的反應路徑；熱力學只研究反應物質的初始狀態（反應前）和最終狀態（反應後），不研究反應物與產物之間的反應路徑。

4.      簡而言之，熱力學讓我們可預測是否會發生某個反應程序，但是沒有辦法告訴我們那個反應需要多少時間來進行。

5.      舉例來說，根據熱力學原理，在25℃和1大氣壓下，鑽石會自發性地變成石墨，實際上，我們不可能觀察到這樣的反應過程，不過這並不是說預測的反應方向是錯的，它只是說明，這個反應過程進展得太慢，以致於無法觀察到。

6.      所以要完整地描述清楚化學反應，我們需要熱力學與動力學這二方面的知識。

7.      為了探索自發性的觀念，我們一起來思考以下物理與化學反應過程：

l   滾下坡的球，不會再自發性地滾回上坡。

l   鋼鐵暴露在空氣與濕氣中，會自發性地生鏽；然而，鐵鏽中的氧化鐵不會自發性地變回鐵金屬和氧氣。

l   熱，通常從比較熱的物體，流到比較冷的物體，絕對不會自發性的產生逆反應（逆反應：熱從冷的物體流到熱的物體上。）

l   木頭自發性燃燒，產生二氧化碳和水，並且散熱；但是二氧化碳和水一起加熱不會製造出木頭。

8.      為什麼在特定條件下，這些反應只會朝某個方向進行，並且無法逆轉？熱力學原理將如何提供一個合理的解釋呢？

9.      我們可以解釋，球從山坡上滾下來是重力的關係，但是重力的解釋能用在鐵釘生鏽和水的結冰嗎？顯然不行。

10.  早期發展熱力學理論的科學家認為，散熱應該是自發性反應的關鍵，如果一個反應是散熱的，這個反應應該會自發性地進行。

11.  雖然散熱因素確實十分重要，因為許多自發性反應是散熱的，不過，散熱不是產生自發性反應的唯一因素。舉例來說，冰的溶解；當溫度大於0℃的時候，冰會自發性的溶解，這個反應是吸熱的。

12.  這些朝著某一個方向進行的自發性反應有什麼共通特性呢？經過多年的觀察後科學家做出結論，所有自發性反應程序的共同特性是不斷增加亂度entropy（S）。

13.  對一個特定反應程序來說，宇宙亂度的改變幅度是衡量驅動反應進行的力量大小的標準。

14.  什麼是亂度？亂度是研究，能量如何影響構成系統的許多粒子的分布。在開始瞭解亂度如何運作前，先思考我們周遭的巨觀世界的驅動力可能造成的現象，十分有助於瞭解亂度。

15.  巨觀的世界顯示，所有事物的自然反應程序是，從有秩序的狀態進入到無秩序的狀態；也就是，從比較低的可能性變成比較高的可能性（亂度變高、分子之間碰撞變多，可能產生的各種反應與情況也更多）。

16.  你只要思考房間的情況就能瞭解這點。你的房間的自然現象是愈來愈亂（無秩序），因為一個有秩序的房間需要把各種東西都擺放在它應有的位置。

17.  讓我們再舉一個例子想想，「假設你有一副牌，按照某個順序牌好，你把這些牌丟到空中，然後隨意地把它們撿回來，然後發現，這些牌的順序會跟原本的一樣！」以上這種情況雖然有可能，但幾乎不會發生，因為這副牌有數十億種組合方式，但其中只有一種排列順序能跟原本的排法一樣。

18.  撿回來的牌，雜亂無章地排列機率，高於它們完全按照特定秩序排列的機率，所以增加亂度是很自然的。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》

徐弘毅：

1.      為什麼會發生自發性程序？因為所有的物質趨向於分解、組成粒子彼此分開這是自然的現象，只是每一種物質分解的時間點不一樣。

2.      如果要把這些處於分解狀態的物質，重新組合，變成一種新物質，或是使原子排列組合變得比較有組織，必須額外增加相當多的能量。

3.      什麼是「亂度」？就是物質逐漸趨向於分解、四散分布的狀態；所有的生物逐漸走向死亡的狀態。所以追求「長生不老」是不可能的事，人類要永續生存，就必須要透過繁殖的方法。

4.      通常人類的記憶力、工作能力、體能表現、精神意志……也都會逐漸趨向於「亂度」，如果一個人要愈老愈有智慧，該怎麼做？五育均衡並重，終身多元學習。

5.      人類文明的發展，從個人而言，趨向於愈來愈自由、獨立自主；從政治體制而言，也是不斷地追求百姓的自由度、獨立自主的能力，這些目標成為了基本的「人權」保障，人類文化也會因此而多元化發展。

6.      言論愈自由的國家，百姓的獨立自主能力與創造力、生產力、文化多元性必然愈來愈高，這是人類文明發展的必然方向。

7.      人權保障愈高的國家，國家的文明程度就愈高；人權不受重視，甚至遭到公權力踐踏的國家，整體文明素質就會愈來愈低，貧富差距也會逐漸擴大。最近三年台灣的人權保障、言論自由等國際評比都逐年下滑，這顯示出一種文明衰敗的徵兆。

8.      每一個國家如果要保持活力、年輕，除了要提升人權保障的水準以外，一定要不斷地擴大教育投資，增加國民平均知識水準，讓言論自由度不斷地提升。

9.      只有在言論自由被充分地保障的情況下，人民獨立自主的意識、獨立思考能力與產業創新能力才能更進步；同時各種言論彼此也會互相制衡、互相監督。

10.  在獨裁者統治的社會環境，言論自由遭受公權力的打壓，言論自由與新聞自由完全被政客與權貴階級操控，新聞媒體因此失去自律能力；新聞媒體只有在充分言論自由的情況下，才有可能產生「自律」。

11.  人類個體也只有透過不斷地多元學習才有可能產生自律的能力。所有的犯罪者都是自律能力不足，也都是因為沒有不斷接受多元教育的結果。

12.  為什麼柏楊、柯旗化、黃信介會遭受獨裁者蔣經國的迫害？最主要的原因是當時沒有新聞自由與言論自由，才會產生這種踐踏人權的敗德行為；李登輝、宋楚瑜、馬英九、關中、吳敦義、連戰……都是獨裁者蔣經國踐踏人權、箝制新聞自由的共犯；這些共犯，也是造成台灣整體文化水準沒有辦法超越日本的最主要原因。

13.  其次是蔣經國個人的知識水準太低，沒有五育均衡並重，沒有能力解讀「世界人權宣言」；這也這導致他的眼光低劣，所選拔的官員知識水準都不高，也都沒有五育均衡並重，沒有環保觀念，沒有生態永續經營的理想。結果國民黨的權貴階級沒有人的品德超越陳樹菊，也缺乏社會正義感。蔣友柏一定不敢否認！

14.  為什麼台灣的新聞媒體主管，都不願意讓台灣的社會追求德國模式的「轉型正義」？因為台灣各大新聞媒體的主管、總編輯、主筆與各大學的新聞系教授，其知識水準與文明水準落後德國二百年，而且沒有羞恥心、沒有正義感。

15.  當一個國家的人權無法獲得保障、文化水準降低，沒有言論自由、沒有教育投資，國家的整體國力一定會衰退、衰敗，國家的「亂度」因此而增加。

16.  當一個社會民主化、新聞自由、人民受教育水準高時，表面上百家爭鳴、言論紛亂，但事實上，在這種環境當中各弱勢團體的意見可充分表達，學者的意見也會得到充分的尊重。

17.  在真理愈辯愈明的情況之下，自然而然「客觀真實」能夠呈現，人民反而因此可互相理解、互相包容、減少誤會的發生、民怨抒解，法治社會得以建立，社會各界的理性愈來愈強，不同的文化可充分交流互動，國家因此而繁榮。