1. Укажите процессы, которые приводят к увеличению энтропии:
а) CaCO3(тв)=CaO(тв)+CO2(г)
б) 2H2(г)+O2(г)=2H2O(ж)
в) N2(г)+3H2(г)=2NH3(г)
г) H2O(ж)=H2O(г)
Рассмотрим каждый из предложенных процессов и определим, приводит ли он к увеличению энтропии. Энтропия увеличивается, если происходит переход от твердого к газообразному состоянию, или если увеличивается число молекул в газовой фазе.
а)CaCO3(тв)→CaO(тв)+CO2(г)CaCO3(тв)→CaO(тв)+CO2(г)
В этом процессе твёрдое вещество разлагается, образуя газообразный продукт CO2, что ведёт к увеличению беспорядка и росту энтропии.
б)2H2(г)+O2(г)→2H2O(ж)2H2(г)+O2(г)→2H2O(ж)
Здесь два газообразных вещества превращаются в жидкость. Энтропия при этом уменьшается, так как жидкость обладает меньшей степенью беспорядка, чем газы.
в)N2(г)+3H2(г)→2NH3(г)N2(г)+3H2(г)→2NH3(г)
В процессе количество молекул в газовой фазе уменьшается (из четырёх молекул получается две). Следовательно, это приводит к уменьшению энтропии.
г)H2O(ж)→H2O(г)H2O(ж)→H2O(г)
Жидкость превращается в газ, что соответствует увеличению беспорядка и росту энтропии.
Ответы:
а) увеличивает энтропию б) уменьшает энтропию в) уменьшает энтропию г) увеличивает энтропию
2. Появление жизни на Земле сопровождалось увеличением информации и было возможно только за счет притока энтропии извне. Оцените скорость роста энтропии Земли (Дж/(К • с)), если поток солнечной энергии составляет 10^3 Вт/м2. Среднюю температуру Земли примите равной О °С.
Чтобы оценить скорость роста энтропии Земли, используем формулу: S' = P / T
где P — поток солнечной энергии на 1 кв. м, равный 1000 Вт/м², а T — температура Земли, равная 0°C, или 273 K.
Подставляем значения:
S' = 1000 / 273 ≈ 3.66 Дж / (м²·К·с)
Ответ: скорость роста энтропии составляет примерно 3.66 Дж / (м²·К·с).
3. Уменьшение энтропии при упорядочении или самоорганизации может быть скомпенсировано её увеличением за счёт химических реакций. Рассчитайте изменение энтропии при фотосинтезе и при полном окислении одного моля глюкозы, используя следующие данные.
Вещество O2 H2O(ж) CO2 C6H12O6
S, Дж/(моль*К) 205 70 214 212
Рассчитаем изменение энтропии при фотосинтезе и при полном окислении глюкозы. Для фотосинтеза:
6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Используем данные энтропии для расчета:
ΔS = (S(C₆H₁₂O₆) + 6·S(O₂)) - (6·S(CO₂) + 6·S(H₂O))
ΔS = (212 + 6·205) - (6·214 + 6·70)
ΔS = (212 + 1230) - (1284 + 420) = 1442 - 1704 = -262 Дж / (моль·К)
Для полного окисления глюкозы:
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O
ΔS = (6·S(CO₂) + 6·S(H₂O)) - (S(C₆H₁₂O₆) + 6·S(O₂))
ΔS = (6·214 + 6·70) - (212 + 6·205)
ΔS = (1284 + 420) - (212 + 1230) = 1704 - 1442 = 262 Дж / (моль·К)
При фотосинтезе: ΔS = -262 Дж / (моль·К) При полном окислении глюкозы: ΔS = 262 Дж / (моль·К)