А. Березовчук - Физическая химия: конспект лекций
Изобарно-изотермический потенциал в самопроизвольных процессах уменьшается, и, когда он достигает своего минимума, то наступает состояние равновесия.
Рис. 5
где 1 – самопроизвольный процесс;
2 – равновесный процесс;
3 – несамопроизвольный процесс.
Совершается работа за счет ΔU и ΔH.
Противодействующие факторы. Энтальпийный фактор характеризует силу притяжения молекул. Энтропийный фактор характеризует стремление к разъединению молекул.
Энтальпия – Н Внутренняя энергия – U.
H = U + PV,
dH = dU + pdv + vdp,
U = TS – PV,
dU = TdS – SdT + pdV + Vdp,
dH = –pdV + pdV + Vdp; U = TdS + VdP.
Рис. 6
где 1 – самопроизвольный процесс,
2 – несамопроизвольный процесс,
3 – равновесный процесс,
(dH)P,T ≤ 0,
(dU)S,T ≤ 0.
Уравнения Гиббса – Гельмгольца – уравнения максимальной работы.
Они позволяют установить связь между максимальной работой равновесного процесса и теплотой неравновесного процесса
уравнение Гельмгольца (уравнение связывающее функции F и G с их температурными производными).
уравнение Гиббса (уравнение связывающее функции F и G с их температурными производными).
Уравнения эти дают возможность рассчитать работу через температурный коэффициент функции Гельмгольца или через температурный коэффициент функции Гиббса.
Уравнение Клаузиуса-Клапейрона
Оно позволяет применить второй закон термодинамики к фазовым переходам. Если рассчитать процессы, в которых совершается только работа расширения, то тогда изменение внутренней энергии
U2 – U1 = T(S2 – S1) – P(V2 – V1),
(U1 – TS1 + PV1) = (U2 – TS2 + PV2),
G1 = G2 – в условиях равновесия.
Предположим, что 1 моль вещества переходит из первой фазы во вторую.
I фаза => dG1 = V1dp – S1dT.
II фаза => dG2= V2dp – S2dT, при равновесии dG2 – dG1 = 0
dG2 – dG1 = dp(V2 – V1) – dT(S2 – S1) –
нет условного равновесия,
где dP/dT – температурный коэффициент давления,
где λфп – теплота фазового перехода.
уравнение Клаузиуса-Клапейрона, дифференциальная форма уравнения.
Уравнение устанавливает взаимосвязь между теплотой фазового перехода, давлением, температурой и изменением молярного объема.
эмпирическая форма уравнения Клаузиуса-Клапейрона.
Рис. 7
Рис. 8
Уравнение Клаузиуса-Клапейрона изучает фазовые переходы. Фазовые переходы могут быть I рода и II рода.
I рода – характеризуются равенством изобарных потенциалов и скачкообразными изменениями S и V.
II рода – характеризуются равенством изобарных потенциалов, равенством энтропий и равенством молярных объемов.
I рода – ΔG = 0, ΔS ≠ 0, ΔV ≠ 0.
II рода – ΔG = 0, ΔS = 0, ΔV = 0.
Алгебраическая сумма приведенных теплот для любого обратимого кругового процесса равна нулю.
Эта подынтегральная величина – дифференциал однозначной функции состояния. Эта новая функция была введена Клаузиусом в 1865 г. и названа энтропией – S (от греч. «превращение»).
Любая система в различном состоянии имеет вполне определенное и единственное значение энтропии, точно так же, как определенное и единственное значение Р, V, Tи других свойств.
Итак, энтропия выражается уравнением:
где S – это функция состояний, изменение которой dSв обратимом изотермическом процессе перехода теплоты в количество Q равно приведенной теплоте процесса.
При независимых переменных U (внутренняя энергия) может обозначаться UВН и V (объем), или Р (давление) и Н(энтальпия). Энтропия является характеристической функцией. Характеристические функции – функции состояния системы, каждая из которых при использовании ее производных дает возможность выразить в явной форме другие термодинамические свойства системы. Напомним, в химической термодинамике их пять:
1) изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса) при независимых переменных Т, Р и числе молей каждого из компонентов и.;
2) изохорно-изотермический потенциал (энергия Гельмгольца) при независимых переменных Т, V, ni;
3) внутренняя энергия при независимых переменных: S, V, ni;
4) энтальпия при независимых переменных: S, Р, пi;
5) энтропия при независимых переменных Н, Р, ni..
В изолированных системах (U и V= const) при необратимых процессах энтропия системы возрастает, dS > 0; при обратимых – не изменяется, dS = 0.
Связь энтропии с другими термодинамическими параметрами
Для того, чтобы решить конкретную задачу, связанную с применением энтропии, надо установить зависимость между ней и другими термодинамическими параметрами. Уравнение dS = δQ/T в сочетании с δQ = dU + PdV и δQ = dH – VdP дает уравнения:
dU = TdS – PdV,
dH = TdS + VdP.
Записав уравнение:
применительно к функциональной зависимости φ(Т, V, S) = 0, получим
т. е.
Теперь найдем зависимость энтропии от температуры из уравнений:
и
Вот эти зависимости:
и
Эти два уравнения являются практически наиболее важными частными случаями общего соотношения:
TdS = CdT.
Пользуясь разными зависимостями, можно вывести другие уравнения, связывающие термодинамические параметры.
Самопроизвольные – процессы, которые идут сами собой, на них не затрачивается работа, они сами могут производить ее (движение камней в горах, натрий с большой скоростью движется по поверхности, так как идет выделение водорода), а калий буквально «прыгает» по воде.
Несамопроизвольные – процессы, которые не могут идти сами собой, на них затрачивается работа.
Равновесие делится на устойчивое, неустойчивое и безразличное.
Постулаты второго закона термодинамики.
1. Постулат Клаузиуса – «Не может быть перехода тепла от менее нагретого к более нагретому телу».
2. Постулат Томсона – «Теплота наиболее холодного тела не может служить источником работы».
Теорема Карно-Клаузиуса: «Все обратимые машины, совершающие цикл Карно с участием одного и того же нагревателя и одного и того же холодильника, имеют одинаковый коэффициент полезного действия, независимо от рода рабочего тела».
Аналитические выражения второго закона термодинамики.
1. Классическое уравнение второго закона термодинамики
где Q /Т – приведенное тепло;
Q1 /Т1– приведенное тепло нагревателя;
Q2 / T2 – приведенное тепло холодильника;
Q1 /Т1= Q2 / T2 – равенство приведенных теплот нагревателя и холодильника. Это второе уравнение термодинамики.
Если делим адиабатами на множество циклов Карно, то получим
Это третье уравнение второго закона термодинамики для бесконечно малого цикла Карно.
Если процесс является конечным, то
Это четвертое уравнение второго закона термодинамики
Если процесс является замкнутым, то
Это пятое уравнение второго закона термодинамики для обратимого процесса.
Интеграл по замкнутому контуру – интеграл Клаузиуса.
При необратимом процессе:
шестое уравнение второго закона термодинамики, или уравнение Клаузиуса, для обратимого процесса равно нулю, для необратимого процесса оно меньше 0, но иногда может быть больше 0.
это седьмое уравнение второго закона термодинамики. Второй закон термодинамики – закон роста S.
S = klnW.
Термодинамическая вероятность
S = klnW –
это формула Больцмана,
где S – энтропия – степень разупорядоченности системы;
k– постоянная Больцмана;
W – термодинамическая вероятность системы макросостояний.
