如何用高中生能明白的語言講解?謝啦。


謝邀。

打一個比方,一個水庫。水庫裏的水會自然地向低處流動,但是現在我們有一個大壩攔著它。「水會自發地向低處流動」就是熱力學性質;「大壩」就是動力學障礙。如果大壩很低,低於水面,當然水就會毫無阻礙地流下去;如果大壩的高度與水面相差不多,水在波動的時候就會有一些漫過大壩而流下去;如果大壩很高,一般情況下水就流不過去,需要我們創造一些條件,例如在大壩上打一個洞(使用催化劑),或者使勁攪動水面,讓水的波動更加強烈(提高反應溫度)。

水面的高度,在熱力學中就是自由能;大壩的高度,在動力學中就是活化能。


熱力學(或能量學)考慮的是平衡態下的狀態分佈,它的核心物理量是自由能(能量)差值。

而動力學考慮的是達到平衡態之前的演變過程和速率,其核心物理量是自由能(能量)勢壘。

假設反應過程中的能壘變化如上圖所示,體系中只存在兩個穩定狀態,對應[公式][公式] 兩個能級。

[公式] 這個過程中,能量並不是單調的下降,而是要先提高 [公式] ,跨過能壘後然後才能下降。這個反應發生的動力學速率:

[公式]

在一定溫度下,反應的動力學速率由反應物濃度 [公式] 和能壘[公式]決定,與 [公式] 這個差值無關

但如果有無窮的時間的話,無論反應速率多小,體系最終都會達到平衡態。平衡態下,[公式][公式] 過程的速率相等,即:

[公式]

此時的狀態分佈

[公式]

所以體系的平衡濃度由 [公式] 這個差值決定,與能壘無關

所以,當 [公式] 時,反應是能夠進行的。但同時 [公式] 這個能壘如果很高的話,反應進行的會很慢,在有限時間內可以認為不發生。


熱力學保證的是無窮長時間之後會發生的事。怎麼發生不保證。

動力學研究的就是到底多久能發生。比如說金剛石不穩定,無窮長時間之後必然要變成石墨一類的東西。但是大家結婚還是會去買鑽戒。廣告裏也標榜:鑽石恆久遠,一顆永流傳。這個廣告詞從熱力學上來說是要向全國人民謝罪的。(熱力學保證了讓一個人少交智商稅!在此鄭重推薦王竹溪的《熱力學》!)

《熱力學(第二版)》 王竹溪【摘要 書評 試讀】圖書?

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至於動力學問題,推薦一本好書:

《Tutorials in Molecular Reaction Dynamics》 Mark Brouard, Claire Vallance【摘要 書評 試讀】圖書?

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現在我們來玩一個丟沙包的遊戲。遊戲場地有兩個片區:北京二環內和月球表面。兩個片區之間有一道傳送門:整個紫禁城和月球上美國國旗下的一抔土之間互有傳送通道。

丟沙包遊戲規則如下:

一、在北京二環上空和月球上空各有一艘飛船,它們只做兩件事:1、向下丟沙包,2、把地上的沙包撿起來下次再丟。初始時刻,所有沙包都在北京上空的飛船上。

二、我們規定:所有丟進傳送門區域的沙包會被立即傳送到傳送門的另一頭。從北京上空丟進紫禁城的沙包會被傳送到月球上美國國旗下的一抔土上,從月球上空丟到那一抔土上的沙包會被傳送到紫禁城。

現在遊戲開始,大量的沙包被從北京上空丟下來,其中可能有一部分落入了紫禁城,然後被傳送到了月球。兩邊的飛船分別把地上的沙包撿起來,進行第二次丟沙包......如此重複,最終絕大多數沙包會出現在月球上,並且兩邊沙包數量之比會趨於穩定,在一個固定值附近上下波動,這就是熱力學的自發性,這個客觀存在的固定值會讓更多的沙包出現在月球上。

但是丟沙包還在繼續,維持一個固定的比例可以是每一次都有好幾百個沙包穿梭往來,也可能是過了老久纔有一個沙包來回穿一次。對於其中的某一個沙包來講,它出生在北京上空,它一般而言也需要被丟很多次才能丟進紫禁城穿越到月球,這就是動力學障礙;假如現在北京城中傳送門區域收縮,收縮到龍椅正上方區域,那麼對於北京上空的一個運氣平平的沙包而言就需要被丟更多次才能丟進傳送門去往月球,但這並不妨礙最重大量沙包所呈現出的在兩邊數量上的比例。

那麼既然對於一個運氣平平的沙包,從北京上空被丟進傳送門如此困難,那麼大量沙包從全部在北京上空到絕大部分被傳送到月球上這個過程也是會比較緩慢的,也就是會需要非常非常多次重複實驗才能最終讓兩邊的沙包數量比收斂到熱力學給出的固定值上,這就是宏觀化學反應的動力學障礙。說白了就是,熱力學給出的是概率分佈,而化學反應過程是獨立重複實驗結果的頻率分佈向概率分佈靠攏的過程,


我來動人乳酪了~

熱力學上來說,鑽石的自由能比石墨高,所以什麼鑽石恆久遠,都是騙人的,石墨纔是恆久遠的。

然而,你見過鑽石在自然條件下變石墨的麼?


比如我坐姿不正確,調整成正確的坐姿肯定舒服不少;但是我腿麻了,所以動不了,只能保持這種不正確的坐姿。


比如人都是要死的,有的人長壽,有的人早夭,有的人衰老快,有的人顯年輕,還有……


熱力學因素是指取決於反應物和底物自由能的差值,可以類比處於不同高度的重力勢能;

動力學因素是指反應物形成過渡態中間體的過程中需要跨越的能壘,可以類比於運動過程的阻力(比如管道阻力、摩擦力)。

所以,一個化學反應,假如存在兩個反應方向,那麼就好比是水從中央的水箱經過管路流到兩個不同的水池裡。最終水在兩個水池的分配,既取決於水池的相對高度,也取決於管路的阻力。


比如說

共產主義社會最終實現的趨勢為無窮大,但是這個道路非常曲折漫長


簡單不準確的來說,反應在熱力學上容易發生是ΔG遠遠小於零。但是反應的活化能可能很高或者說速率常數很小,導致反應在此情況下即使發生也是以在數量級上很小的速度進行。難以觀察到。


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