Πώς σχετίζεται ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής με τον σχηματισμό κρυστάλλων;

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, ο οποίος δηλώνει ότι η εντροπία (διαταραχή) ενός απομονωμένου συστήματος αυξάνεται πάντοτε με την πάροδο του χρόνου, μπορεί να φαίνεται αντίθετη όταν εξετάζεται ο σχηματισμός κρυστάλλων. Μετά από όλα, οι κρύσταλλοι είναι δομές με υψηλό διατάγματος. Ωστόσο, η φαινομενική αντίφαση επιλύεται όταν εξετάζουμε το ολόκληρο σύστημα , όχι μόνο ο ίδιος ο κρύσταλλος.

Here's how the second law applies:

* αύξηση της εντροπίας στο περιβάλλον: Ενώ σχηματίζεται ένα κρύσταλλο, το σύστημα απελευθερώνει θερμότητα στο περιβάλλον. Αυτή η θερμότητα αυξάνει την εντροπία του περιβάλλοντος, η οποία ξεπερνά τη μείωση της εντροπίας μέσα στον ίδιο τον κρύσταλλο. Η καθαρή αλλαγή στην εντροπία για ολόκληρο το σύστημα (crystal + περιβάλλον) είναι θετική, ικανοποιώντας τον δεύτερο νόμο.

* αυθόρμητη κρυστάλλωση: Η διαδικασία σχηματισμού κρυστάλλων είναι συχνά αυθόρμητη επειδή οδηγεί σε χαμηλότερη κατάσταση ελεύθερης ενέργειας. Αυτό συμβαίνει λόγω της απελευθέρωσης θερμότητας κατά τη διάρκεια της κρυστάλλωσης, η οποία μειώνει την ενθαλπία (εσωτερική ενέργεια) του συστήματος. Η μείωση της ενθαλπίας, σε συνδυασμό με την αύξηση της εντροπίας του περιβάλλοντος, έχει ως αποτέλεσμα την καθαρή μείωση της ελεύθερης ενέργειας Gibbs, καθιστώντας τη θερμοδυναμικά ευνοϊκή.

* Μέγεθος κρυστάλλου και εντροπία: Η αλλαγή εντροπίας που σχετίζεται με τον σχηματισμό κρυστάλλων εξαρτάται από το μέγεθος του κρυστάλλου. Οι μικρότεροι κρύσταλλοι έχουν υψηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, οδηγώντας σε μεγαλύτερη συμβολή από την επιφανειακή εντροπία, η οποία σχετίζεται με διαταραχή. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μεγαλύτεροι κρύσταλλοι είναι πιο θερμοδυναμικά σταθεροί, καθώς έχουν χαμηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο.

Στην ουσία, ενώ ο σχηματισμός κρυστάλλων οδηγεί σε αύξηση της τάξης εντός του ίδιου του κρυστάλλου, προκαλεί επίσης αύξηση της διαταραχής στο περιβάλλον. Η συνολική αλλαγή εντροπίας για ολόκληρο το σύστημα παραμένει θετική, ακολουθώντας τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Επιπλέον, ο σχηματισμός κρυστάλλων συχνά οδηγείται από τη μείωση της ελεύθερης ενέργειας, η οποία είναι συνέπεια της μείωσης της ενθαλπίας λόγω της απελευθέρωσης της θερμότητας και της αύξησης της εντροπίας στο περιβάλλον.