2011年9月30日 星期五

溫度對自發性的影響 (二)

化學原理啟迪243

The Effect of Temperature on Spontaneity

1.     【例題】冶煉,會依據礦物的組成元素,採用不同的反應技術,還原純金屬「銻」。舉例來說,用來還原銻硫化物的礦物

Sb2S3(s)3Fe(s)→2Sb(s)3FeS(s)    ΔH=-125kJ

用來還原銻氧化物的礦物

Sb4O6(s) 6C(s) →4Sb(s) 6CO(g)  ΔH778kJ

計算251atm下這些反應的周遭亂度變化ΔSsurr

2.     【解題】我們利用公式計算周遭亂度

ΔSsurr=-ΔH/T

3.     25算成絕對溫度 T25+273298K

4.     硫化物銻礦的反應,造成周遭的亂度變化是

ΔSsurr=-(125kJ)/298K0.419kJ/K419J/K

特別留意,如同我們所預期的,因為反應是散熱,熱會流到周遭,會增加周遭原子或分子的隨機運動,所以周遭的亂度變化是正數。

5.     氧化物銻礦的反應,造成周遭的亂度變化是

ΔSsurr=-7785kJ/298=-2.61kJ/K=-2.61×103J/K

這個反應(吸熱)中,周遭的亂度變化是負數,因為能量從周遭流到系統。

6.     我們已經知道,自發性反應程序能不能發生,取決於這個反應的「宇宙亂度改變」情形。我們也知道,「宇宙亂度變化ΔSuniv」由二部分組成「系統亂度變化ΔSsys」和「周遭亂度變化ΔSsurr」。

7.     如果一個反應過程不論是「系統亂度變化ΔSsys」或「周遭亂度變化ΔSsurr」都是正的數值,那麼「宇宙亂度變化ΔSuniv」也是正的數值,整個反應程序是自發性的

8.     如果「系統亂度變化ΔSsys」與「周遭亂度變化ΔSsurr」都是負的,這個反應程序不會自發性地產生,但是相反方向的逆反應是自發性的。

9.     如果「系統亂度變化ΔSsys」和「周遭亂度變化ΔSsurr」一正一負,彼此相反,會不會產生自發性全看哪一個亂度變化比較大。

系統亂度變化ΔSsys和周遭亂度變化ΔSsurr決定宇宙亂度變化的正負號

亂度改變的符號

     反應程序會自發性產生嗎?

ΔSsys

ΔSsurr

ΔSuniv

不會(逆反應才會自發性進行)

如果系統亂度變化ΔSsys數值大於周遭亂度變化ΔSsurr,就會發生。

如果周遭亂度變化ΔSsurr數值大於系統亂度變化ΔSsys,就會發生。

10.  我們現在知道為什麼自發性反應經常取決於溫度,也知道為什麼溫度低於0℃時,水會自發性地結冰;溫度高於℃時,冰會自發性地融解。

11.  「周遭亂度變化ΔSsurr」是溫度倚賴的數值(意思是,周遭亂度變化的大小,深深受到溫度的影響),因為在固定壓力下

ΔSsurr=-ΔH/T

周遭亂度變化明顯隨著溫度而改變。

12.  在高溫下周遭亂度變化數值非常小,如果溫度下降周遭亂度變化就會增加。這個現象對散熱反應尤其重要,低溫變成散熱反應的驅動力量。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles

徐弘毅:

1.         銻礦有二種:硫銻礦Sb2S3與氧銻礦Sb4O6。它們的提煉方法不同,對周遭環境的影響也不同,需要的能量也不同。

2.         用鐵提煉含硫的銻礦,反應過程會釋放熱能,每莫耳物質釋放熱含量ΔH=-125kJ,這代表進行這個反應需要的能量比較少,並且反應會增加周遭的亂度ΔSsurr419J/K,提煉過程必須注意散熱、降溫的問題。

3.         用碳提煉含氧的銻礦,反應過程會吸收熱能,每莫耳物質吸收熱含量ΔH778kJ,這代表進行這個反應需要耗費的能量比較多,但是反應會減少周圍環境的亂度、降低環境的溫度 ΔSsurr=-2.61×103J/K,提煉過程比較少設備過熱、需要降溫的問題。

4.         提煉金屬,必須依據礦物的組成成分不同,用不同的物質進行還原、提供不同的能量、設計恰當散熱能力的設備。人類社會,對於人才訓練也要因材施教

5.         《論語‧雍也》孔大師說:對學問的追求,天生聰明有智慧的人,不如喜好知識的人,喜好知識的人不如,對求學樂在其中的人。

6.         這世上對知識與修養的追求,有三種人生「態度」,平民如果想要成功,必須深刻了解自己的人生態度,只有不計名利、欲望的人,才能在辛苦的求學過程中,樂在其中,這樣才能持續保持前進的動力。

7.         孔大師說:每一個人的資質不同,中等程度的人,可以告訴他比較深的理論,中等以下資質的人,就不要作過高的要求

8.         不管是老師或組織的領導人,都應該要了解所有的人的資質都不同、專長都不同,要因材施教,才能夠讓所有的人持續地進步。

9.         一個知識份子最重要的任務,就是要幫助社會大眾在知識上不斷地進步。年輕學者樊遲就問:那麼,怎麼做是有「智慧」?

10.     孔大師說:公平正義地處理人民的社會事務;對於迷信或無法理性認知的事情,要尊重、不要輕易判斷,這樣子可以說是有智慧

11.     樊遲接著問:那麼,我怎麼做才能抓到這裡頭的「重點」呢?

12.     孔大師說:知道重點的人,他會先思考處理複雜的部分,接下來的事情就容易處理了,這樣的人就可說是抓到重點了。

13.     領導人首先一定要「理性」為優先,領導人不理性,百姓就跟著不理性,領導人模糊不清、弄不懂的事情,下面就沒有人弄得懂恢宏大度的領導人,一定要先思考解決大的架構、大的問題,才會有好的收穫。

14.     孔大師接著說:有智慧的人,個性像水一樣;能夠掌握做人核心的人,個性像山一樣。智慧的人活潑好動,掌握核心的人安靜沉穩。智慧的人靈活、多元、樂觀;掌握核心的人,影響力長久。

15.     孔大師認為齊國應該變一變,變成像魯國那樣子,魯國也應該變一變,要發展各種學術理論。孔大師說:固執不變,會愈來愈失去生命力。

16.     齊國是姜太公的封地,姜太公幫助周武王統一天下,姜太公必定是足智多謀的人,所以,齊國的文化也是足智多謀;因此齊國經濟發展順利,靠海,有漁鹽之利,再經過管仲的建設,讓齊國的經濟更發達,有如美國、紐約;齊國像水,有靈活智慧的頭腦才能夠把經濟做好。

17.     魯國是周公的封地,周公制禮作樂,發展法制文化,魯國保留了周朝文化,注重憲法、文化,所以魯國像山,社會秩序穩定。齊國如果要更進一步發展,應該學習魯國的法律、文化;魯國要再提升,就應該努力研究各種學術,提升文化水準。

18.     台灣的大學,所用的教科書98%都是西方文化,因此可以說中國文化對台灣的重要性不到2%。事實上中國文化也是蠻多元的,孔孟思想只是其中之一,而且是屬於次文化或小眾文化,因為歷史上中國的權貴階級絕大部分都做不到,只會唱高調,相當虛偽。

19.     台灣的國民黨權貴階級也沒有一個人做得到孔孟思想,例如馬英九就是以「不守信用、政見跳票」出名,與孔子的信仰背道而馳,是十足的偽君子。馬政府也主張「全民拚經濟」,造成「上下交征利」,完全違背孟子思想。

20.     台灣的光電產業發達,所應用的基礎理論都不是中國文化,而是愛因斯坦的理論;台灣人可以說把愛因斯坦的文化發揚光大,是標準的愛因斯坦思想繼承人。文化無國界,誰徹底實踐發揮,他就是繼承人;台灣如果有人的「言行」都完全符合耶穌的思想,他就是耶穌的繼承人。

21.     賓士汽車全體員工對於學術、專業守信用的程度,遠遠超過裕隆汽車集團,因此賓士汽車的價值遠遠高過裕隆所生產的汽車。從結果可以判斷,賓士汽車全體員工比較符合孔孟思想,裕隆汽車的全體員工比較不符合孔孟思想,比較不守信用

22.     誰比較守信用,誰的思想就比較接近孔子。德國總理梅克爾守信用的程度比較嚴謹,還是馬英九?從馬英九六三三的政見跳票可以推測,孔子的繼承人是梅克爾,絕對不是馬英九,因為梅克爾說要救希臘,果然救成功。

23.     馬英九會不守信用成習慣,最主要的原因應該是他的家長與老師沒有對他「因材施教」,讓他養成了壞習慣

24.     德國曾經發生納粹屠殺猶太人,對這一群失控的人,如何因材施教?德國推動「轉型正義」,把納粹時期所有踐踏人權的共犯,一一繩之以法

25.     台灣也曾經發生二二八大屠殺以及蔣經國所推動的白色恐怖,專門踐踏人權,違背《世界人權宣言》,但是扁政府與馬政府都沒有對當時踐踏人權的共犯「因材施教」,所以導致現在的司法與軍公教體系骯髒不堪、雙重標準、互相包庇、被政黨包養。這也顯示出台灣的政治權貴完全不懂得孔子的「因材施教」的思想,德國人反而比較懂。

26.     希臘的軍公教待遇太好,退休金太高,造成國家嚴重財政負擔,導致快要破產,所以德國「因材施教」,要求希臘對軍公教減薪;台灣如果用國際的標準判斷,國債超過十三兆,跟希臘一樣危險,主因也是馬政府不斷地對軍公教加薪,優待退休的軍公教;這是一種剝削平民百姓來圖利選票群眾的後果,孔子會像李述德那樣幹嗎?

27.     自從中央研究院院士朱敬一進入馬團隊以後,台灣的貧富差距持續加大,租稅仍然不公平,國民黨的黨產也沒有歸還給國家,朱敬一的品德與社會正義感,跟孔孟思想何干?

參考資料:孟子啟迪34 雖千萬人吾往矣

 

2011年9月28日 星期三

溫度對自發性的影響

化學原理啟迪242

The Effect of Temperature on Spontaneity

1.     為了瞭解系統亂度變化ΔSsys周遭亂度變化ΔSsurr如何決定宇宙亂度變化ΔSuniv的正負號,我們將好好討論1mole水從液態變成氣體的過程

H2O(l)→H2O(g)

水是反應的「系統system」,其餘的部分都是「周遭surrounding」環境。

2.     在這個反應過程中,水的亂度有什麼不同呢?1mole的液態水(18g)體積大約是18mL。在1atm100時,1mole水蒸氣的體積大約是31L。很明顯地,31L的體積比18mL的體積,更能提供較多的移動空間給水分子。

3.     1mole水蒸氣在1atm100時體積變大,位置機率positional probability提高,使得水的蒸發變得十分容易。也就是說,這個反應程序的系統的亂度增加ΔSsys是正號。

4.     那麼周遭的亂度變化ΔSsurr又如何呢?周遭亂度的改變,主要取決於系統的能量(以熱的形式)流入或流出的情形。

5.     假設有一個散熱反應程序,把系統中50 焦耳的能量,以「熱」的形式運送到周遭,並且在周遭環境變成熱能,也就是變成與原子隨機運動有關的動能。系統流到周遭的能量,增加周遭原子的隨機運動,周遭的亂度變化ΔSsurr是正號。

6.     當系統進行的是吸熱反應程序,它產生的亂度效果是相反的。「熱」從周遭流到系統,造成周遭原子的隨機運動下降,減少周遭的亂度。水的蒸發就是吸熱反應程序,因此,它的周遭亂度變化ΔSsurr是負號

7.     「宇宙亂度變化ΔSuniv」的正負號能告訴我們水的蒸發是不是自發性的。我們已經知道,水的蒸發是吸熱反應,「系統亂度變化ΔSsys」是正號,表示對反應程序進行有利的,「周遭的亂度變化ΔSsurr」是負號,表示對反應程序的進行不利。所以組成「宇宙亂度變化ΔSuniv」的二個因素的正負號剛好是相反的;結果到底是哪一個因素控制了反應?

8.     答案是,關鍵在於溫度1atm的壓力下,如果溫度超過100℃,水從液體變成氣體的反應是自發的;如果溫度低於100℃,相反的反應程序(水蒸氣凝結成水)是自發的。

9.     在水的蒸發反應中,系統的亂度變化ΔSsys周遭的亂度變化ΔSsurr是相反的,所以溫度對這二個因素的影響非常大。為了瞭解原因,我們必須更仔細地討論控制周遭亂度變化的因素。核心就是,周遭的亂度變化主要控制在熱的流動

10.  一個系統進行散熱反應程序,會使得周遭的亂度增加,因為能量從系統流到周遭,增加周遭分子的隨機運動。所以,散熱是引起自發性反應的一股重要的驅動力量。

11.  在散熱反應程序,系統進行的反應傾向於降低它的能量。當一個系統在恆溫下朝向更低能量的方向進行反應時,它放棄的能量會轉移到周遭;其中有些能量轉換成熱,造成周遭的亂度增加。

12.  散熱自發性反應的驅動力量,這股力量的大小取決於反應產生時的溫度。周遭亂度變化ΔSsurr的大小取決於溫度。

13.  假設你打算施捨50美元,把這筆錢給百萬富翁,感覺不太值得,因為百萬富翁錢多到用不完。但是如果給一個貧困的大學生,就蠻值得的,而且也會得到比較多的快樂。同樣的原則適用於能量的移動。

14.  假設系統有50焦耳的能量要轉移到周遭,轉移順利與否,深受溫度的影響。如果周遭的溫度非常高,周遭的原子快速運動。從系統流出來的50焦耳的能量就不會對這些原子的運動有什麼太大的改變。

15.  另一方面,如果系統傳遞到周遭的50焦耳能量是在非常低的溫度中進行,周遭原子的運動很慢,那麼流出來的能量就會造成原子運動很大幅度的改變。

16.  從周遭流到系統或從系統流到周遭的能量,會以「熱」的形式轉移,固定大小的移動能量,在低溫下進行轉移,對原子運動(亂度)的影響較大。

17.  周遭的亂度變化有二個重要特徵:

一、周遭亂度變化ΔSsurr的正負號取決於熱的流動方向。在恆溫下一個系統的散熱反應程序會使熱流到周遭,增加周遭原子、分子的隨機運動,也因此增加周遭的亂度。這種情況的ΔSsurr是正號。

這個原則常以能量來說明。系統有一種傾向就是追求最低能量,方法就是把能量用熱的形式轉移到周遭,這個現象是自然界推動自發性反應的重要驅動力。

二、周遭亂度變化ΔSsurr大小取決於溫度。假如系統釋放或吸收的能量大小是固定的,這個反應程序在低溫狀態下進行,會比高溫下,更大幅度改變周遭原子或分子的隨機運動。

所以周遭的亂度變化大小,直接取決於轉移的熱的份量以及溫度(溫度愈低、亂度的改變幅度愈大)。換句話說,在低溫的時候,系統追求更低能量的傾向,會成為一股驅動自發性程序的更大力量。

18.  能量流動提供的驅動力(熱)

=周遭亂度變化的幅度

=(系統釋放或吸收的能量)熱的份量(J/溫度(K

19.  這些觀念摘要如下

散熱程序 +(系統釋放的能量)熱的份量(J)/溫度(K)

吸熱程序 =-(系統吸收的能量)熱的份量(J)/溫度(K)

20.  如果一個反應是在恆壓下進行(系統做的功是壓力×體積 only PV work is allowed),周遭亂度變化ΔSsurr也可以用焓變化ΔH來說明,因為在這樣的條件下

熱流動(恆壓)=焓變化=ΔH

21.  焓變化包含二個部分:正負號sign和數值number。正負號sign指出熱能流動的方向;正號代表能量流入系統(吸熱),負號-代表能量流出系統(散熱)。數值number指出能量的多寡。

22.  所有的觀念結合在一起,得到恆溫(K)與恆壓下,周遭亂度變化的定義:

ΔSsurr=-ΔH/T

23.  我們一定要註明「負號-」,因為焓變化ΔH的數值來自於反應系統,但是我們注意的是周遭的能量如何,周遭的能量獲得或失去能量,剛好跟系統的獲得或失去能量的情況相反。

24.  如果反應是散熱,系統失去能量,ΔH是負號;但是這個時候熱是流到周遭,周遭獲得能量,ΔSsurr是正號。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles

徐弘毅:

1.     熱力學第二定律認為,宇宙的亂度不斷地增加是一種自然的趨勢。所以,如果有一個「反應過程」,能夠讓系統與周遭的亂度增加,就會進行得比較容易,可以自發性地產生。

2.     但是現實上,有些反應是吸熱,系統亂度增加,周遭亂度減少;有些反應是散熱,系統亂度減少,周遭亂度增加;這種情況進行的反應,它的「宇宙亂度」到底是增加還是減少呢?會不會自發性地產生呢?這要看反應進行時的溫度和反應使能量往哪個方向轉移。

3.     如果一個反應是吸熱的,能量從周遭轉移到系統,增加系統的亂度,減少周遭的亂度,這個時候如果周遭的溫度高,對反應的進行是有利的,例如水的蒸發

4.     液態水要變成水蒸氣的過程會吸熱,而且液態水的溫度必須超過100的沸點才能變成水蒸氣;所以如果周遭的溫度高於100,就有源源不絕的能量可以送給液態水,增加水的亂度,讓它們變成氣體。如果周遭溫度低於100,就無法提供水蒸發所需的能量。

5.     相反地,如果一個反應是散熱的,「能量」從系統轉移到周遭,減少系統的亂度,增加周遭的亂度,這個時候如果周遭的溫度低,對反應的進行是有利的,例如水蒸氣的凝結。

6.     水蒸氣要變成液態水,這個反應過程是散熱,水蒸氣需要把能量釋放到周遭來減低亂度;這個時候,如果周遭的溫度是低溫、低於100非常多,那麼周遭就有能力降低系統的能量,這樣水蒸氣凝結為水的反應就會自發性地進行。

7.     簡單說,散熱反應是系統的能量流到周遭,周遭溫度愈低,愈有助於反應的進行;吸熱反應是系統吸收周遭的能量,周遭溫度愈高,愈有助於反應的進行。在恆壓下進行的反應,「周遭的亂度」就是「系統反應釋放或吸收的能量」÷「溫度」:ΔSsurr=-ΔH/T

8.     社會上的財富是有一定數量的,如果有錢人愈來愈有錢,就代表其他人的財富減少;如果有錢人變窮,也代表他流失的財富分配給了社會上其他的人。所以,最近幾年台灣貧富差距愈拉愈大,代表社會的資源愈來愈集中在少數的權貴階級手上

9.     有錢人愈來愈有錢,有的是因為他們比別人聰明、努力、辛苦奮鬥,因此獲得應該有的報酬;有些人獲得財富卻是利用官商勾結的機會,或提早得到別人不知道的資訊,因此獲得暴利,台灣各地方政府的「土地徵收」政策,絕大部分都是政客找親友炒地皮的結果,主要的目的就是為了剝削、壓榨比較弱勢的人。

10.  就像控制恰當的溫度可以讓反應自發性地進行,新聞媒體、意見領袖應該要嚴厲地批判、監督政治權貴階級,批判的力度應該按照權力的大小、符合比例原則,這樣才能讓社會的「權力」公平分配,不會過度集中在某些人手上。

11.  國家每年的稅收是一定的,但是要分配到什麼樣的地方會造成不同的結果,政府把大部分的國家預算用在教育投資?改善城鄉差距?照顧社會弱勢?還是圖利有錢人?富邦金控可以併吞台北銀行,就是標準的政客圖利財團,其中還包含性招待。

12.  老農年金如果沒有排富,就是一種不公不義的政策;軍公教的退休金如果沒有排富,就是一種不公不義的政策;國民黨的黨產如果沒有分給台灣所有的政黨,那就是違憲、不公不義;監察委員的品德如果不如陳樹菊,一定是社會敗類,絕對不可能例外

13.  在恆壓下進行的反應,「周遭的亂度」就是「系統反應釋放或吸收的能量」÷「溫度」:ΔSsurr=-ΔH/T

14.  權貴階級(系統吸收的能量)的財富如果太多,貧富差距太大,那麼,中低收入戶(周遭)會出現二種狀況:一、自暴自棄,失去求生意志,因此會產生更多的遊民或自殺案件。二、會眼紅嫉妒仇視有錢人,因此綁票、暗殺的案件會增多。

15.  經濟要正常地發展,一定要建立在公平正義的基礎上民主政治的發展,也一定要建立在公平正義的社會基礎上社會制度或法令不公平、不正義,一定會產生貧富差距拉大,權貴階級以大欺小

16.  同樣地,政黨之間如果貧富相差太大,會造成什麼後果?一定會造成不公平競爭,無法選賢與能,有錢的政黨一定會成為貪腐的烏合之眾。