Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
12_100229_1_69912.pdf
Скачиваний:
326
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
2.44 Mб
Скачать

32

G2

= H2

 

G

 

 

+ T

 

2

.

 

 

 

T

P

Вычитая уравнение для второго состояния из уравнения для первого, получим:

G1 G2 = H1 H2 + T T (G1 G2 ),

или

 

(G)

(1.75)

−∆G = −∆H T

T

.

 

P

 

Учитывая, что

AP = −∆G, a QP = −∆H,

(1.76)

и с учётом (1.76), уравнение (1.75) будет иметь вид:

 

A

 

,

(1.77)

AP = QP + T

 

P

 

T P

 

 

Выражение (1.77) есть также вариант уравнение Гиббса-Гельмгольца для процессов, протекающих при Р = const.

1.10. Химический потенциал

Рассмотренные до настоящего времени первый и второй закон тер- модинамики, а также характеристические (термодинамические) функ- ции ограничиваются изучением закрытых систем, которые обменивают- ся с окружающей средой только энергией.

Перейдем к рассмотрению открытых систем, которые с окружающей средой обмениваются не только энергией, но и веществом.

Для описания состояния однородной закрытой системы достаточно было двух параметров, в связи с чем, полученные выражения для харак- теристических функций, включают только две переменные. В открытой системе число молей веществ n может меняться, поэтому в число основ- ных параметров состояния необходимо включать и состав системы.

При любых превращениях независимых переменных справедливы следующие две теоремы.

Первая теорема. Пусть независимыми переменными являются эн- тропия (S), объём (V) и числа молей веществ-компонентов (n). Тогда

33

справедливо следующее уравнение:

k

 

U

 

 

 

dU = T dS P dV +

 

dni ,

(1.78)

 

i=1

 

ni S,V,nj

 

 

Для доказательства (1.78) внутреннюю энергию рассмотрим как функцию S, V и n, т. е.

U = f(S,V,n)

Для U запишем полный дифференциал:

 

U

 

U

k

 

U

 

 

dU =

 

dS +

 

dV +

 

 

dni ,

(1.79)

 

 

S V,n

 

V S,n

i=1

 

ni S,V,nj

 

 

Индекс n означает постоянство чисел молей веществ всех компонен- тов, т. е. состав системы, nj постоянство всех n, кроме ni.

Если открытая система подвергается изменению, при котором ее со- став остается неизменным, то в этом случае ее состояние будет изменят- ся точно также, как это происходило бы в случае закрытой системы.

В этом случае остаются справедливыми ранее выведенные в п. 1.9.2 для закрытой системы выражения (1.49) и (1.50):

U

= −P ,

 

 

 

 

 

 

 

V S,n

 

 

 

 

 

 

U

= T

,

 

 

 

 

 

 

 

S V,n

 

 

 

 

 

После подстановки

выражений

(1 . 49 ) и (1 . 50) в

(1 . 79) получим выражение

 

 

 

 

 

 

 

k

 

U

 

 

dU = T dS P dV +

 

 

dni ,

 

 

 

 

i=1 dni S,V,nj

которое и требовалось доказать.

U

Величина производной получила название химический по-

ni S,V,nj

тенциал µi i-го компонента.

34

 

U

 

 

 

µi =

 

,

(1.80)

 

 

ni S,V,nj

 

 

Химический потенциал есть мера изменения внутренней энергии как характеристической при соответствующих постоянных значениях S, V, nj. Вместе с тем, физический смысл представленного понятия не совсем очевиден. Связано это с тем, что выражение (1.78) относится к открытой системе, в то время как методами термодинамики можно изучать только закрытые системы. Но в любой сложной закрытой системе в результате протекания различных процессов (химических реакций, фазовых пре- вращений и др.) возможно перераспределение чисел молей составляю- щих систему веществ-компонентов между ее различными чaстями.

Аналогичным образом, как и в случае dU, получим выражения для полных дифференциалов остальных функций, т. е. F, H и G.

Полный дифференциал функции F = f(V,T,n) запишем сле- дующим образом:

 

F

 

F

k

 

F

 

dF =

 

dT +

 

dV +

 

 

dni .

 

 

T V,n

 

V T,n

i=1

 

ni V,T,nj

 

Учитывая, как показано ранее в п. 1.9.1 (уравнения (1.44) и (1.45)), что

 

F

= −P ,

 

 

 

V T

 

 

F

= −S ,

 

 

 

T V

 

получим

k

 

F

 

 

dF = −S dT P dV +

 

dni .

 

i=1

 

ni V,T,nj

 

Энтальпия H для открытой системы есть функция переменных S, P и n, т. е.

H = f(S,P,n).

35

Полный дифференциал этой функции запишется следующим образом:

 

H

 

H

k

 

H

 

 

dH =

 

dS +

 

dP +

 

 

dni ,

(1.81)

 

 

S P,n

 

P S,n

i=1

 

ni P,S,nj

 

 

или с учётом того, что (п. 1.9.3, уравнения (1.57) и (1.58))

 

H

= T ,

 

 

 

S P

 

 

H

= V ,

 

 

 

P S

 

а выражение (1.81) запишется:

k

 

H

 

 

dH = T dS + V dP +

 

dni .

 

i=1

 

ni P,S,nj

 

Полный дифференциал для свободной энергии Гиббса G, как функ- ции переменных T, P и ni запишем следующим образом:

 

G

 

G

k

 

G

 

dG =

 

dT +

 

dP +

 

 

dni ,

 

 

T P,n

 

P T,n

i=1

 

ni P,T,nj

 

или, принимая во внимание (см. (1.70) и (1.71), п 1.9.4), что

 

G

= V ,

 

 

 

P T

 

G

= −S ,

 

 

 

T P

 

будем иметь

k

 

G

 

 

dG = −S dT + V dP +

 

dni ,

 

i=1

 

ni P,T,nj

 

Вторая теорема. Частные производные всех термодинамических функций по концентрации при постоянстве соответствующих характе-

36

ристических параметров состояния равны между собой. Следует доказать, что

 

U

 

 

H

 

 

F

 

 

G

 

 

 

 

 

=

 

=

 

=

 

,

(1.82)

 

 

 

 

 

ni S,V,nj

 

ni S,P,nj

 

ni T,V,nj

 

ni T,P,nj

 

 

Продифференцировав выражение (1.32) для характеристической функции F (свободная энергия Гельмгольца), получаем выражение (1.42) (п. 1.9.1), а вместо dU в (1.42) подставим (1.78):

 

k

 

 

 

 

 

dF = −P dV S dT + µidni ;

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

k

 

F

 

(1.83)

 

 

 

dF = T dS P dV T dS S dT +

 

dni .

 

 

 

i=1

 

ni V,T,nj

 

После преобразования (1.83) будем иметь:

 

 

 

 

 

k

U

 

 

 

 

 

dF = −P dV S dT +

 

 

dni .

(1.84)

 

 

i=1

ni S,V,nj

 

 

Аналогичные преобразования сделаем для энтальпии Н (1.7), полу- чим, соответственно (1.51). Вместо dU в (1.51) подставим (1.78):

 

 

k

 

H

 

 

 

dH = T dS P dV + P dV + V dP +

 

dni .

(1.85)

 

 

 

i=1

 

ni S,P,nj

 

 

После преобразования (1.85) получим:

 

 

 

 

 

 

 

k

U

 

 

 

 

 

 

dH = T dS + V dP +

 

 

dni .

 

(1.86)

 

 

 

i=1

ni S,V,nj

 

 

Продифференцировав выражение для свободной энергии Гиббса G (1.27), получим выражение (1.68):

dG = dH T dS S dT .

В (1.68) вместо dH подставим выражение (1.64):

dG = dU + P dV T dS S dT ,

37

а, подставив в него (1.78), получим

k

 

U

 

 

 

dG = T dS P dV T dS S dT +

 

dni .

(1.87)

 

i=1

 

ni S,V,nj

 

 

После преобразования выражение (1.87) приобретает следующий вид:

k

 

U

 

 

 

dG = −S dT P dV +

 

dni .

(1.88)

 

i=1

 

ni S,V,nj

 

 

Сравнивая (1.84), (1.86) и (1.87) приходим к соотношению (1.82). Учитывая (1.87), можно заключить, что химический потенциал µi ком-

понента i cвязан с характеристическими функциями следующим образом:

 

U

 

 

H

 

 

F

 

 

G

 

 

 

µi =

 

=

 

=

 

=

 

.

(1.89)

 

 

 

 

 

ni S,V,nj

 

ni S,P,nj

 

ni T,V,nj

 

ni T,P,nj

 

 

Тогда с учётом (1.89) уравнения (1.79), (1.84), (1.86) и (1.88) можно переписать в следующем виде:

k

k

 

dU = T dS P dV + µidni ,S dT V dPnii = 0

(1.90)

i=1

i

 

k

 

 

dF = −P dV S dT + µidni ,

 

(1.91)

i=1

 

 

k

 

 

dH = T dS + V dP + µidni ,

 

(1.92)

i=1

 

 

k

 

 

dG = −S dT P dV + µidni .

 

(1.93)

i=1

Уравнения (1.90) (1.93) это фундаментальные уравнения термоди- намики. Они выражают связь между характеристическими и их пере- менными и, следовательно, дают полную термодинамическую характе- ристику смеси, состоящей из k веществ компонентов.

На практике наибольшее применение получило выражение химиче- ского потенциала через свободную энергию Гиббса поскольку процессы, связанные с изменением состава системы, изучаются большей частью

38

при T = const и P = const.

 

G

 

 

 

µi =

 

.

(1.94)

 

 

ni T,P,nj

 

 

Из (1.94) следует, что химический потенциал i-го компонента является парциальной молярной величиной свободной энергии Гиббса.

Характеристическая функция G является экстенсивной величиной и

характеризует только чистое вещество, химический потенциал µi , как термодинамическая функция интенсивная величина и она характе- ризует вещество, входящее в состав раствора и, следовательно, испыты- вающее воздействие всех остальных компонент.

Проинтегрируем уравнения (1.90) (1.93) при условии постоянства всех интенсивных параметров (P, T, µ) и получим следующие выражения:

k

 

U = T S P V + µini ,

(1.95)

i

k

H = T S + µini ,

i

k

F = −P V + µini ,

i

k

G = µini .

i

Далее, продифференцируем выражение (1.95):

k

k

dU = T dS + S dT P dV V dP + µidni +nii ,

i

i

и приравняем выражения (1.96) и (1.90)

 

k

 

T dS P dV + µidni =

 

i=1

 

k

k

= T dS + S dT P dV V dP + µidni +nii .

i

i

(1.96)

(1.97)

После преобразования (1.97) получим: