Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Еремин, Е. Н. Основы химической термодинамики учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
124
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
15.13 Mб
Скачать

Тепловой эффект

этой реакции

АЯгда = 6400

кал/моль, т. е. она

эндотермична, а кроме того, сопровождается

убылью энтропии:

AS^gg =

^298 (Ц. бутан)

S-Ш (бутен) =

9,61

Э. в.

Отсюда стандартный изобарный потенциал реакции (V.66)!

ДО.»8 = 6400 + 9,61 • 298,15 = 9960 кал/моль.

Иными словами, изомеризация бутена в стандартных условиях про­ текает с увеличением изобарного потенциала и поэтому не столь уж удивительны неудачные попытки химиков-органиков осуществить эту реакцию.

Пользуясь

таблицами термодинамических величин,

законом Гесса

и уравнением

(V.60), составим термодинамические

характеристики

некоторых простых реакций с участием газов (табл. 13). В избран­ ных четырех реакциях имеется нечто общее — во всех из двух молей газа получаются три моля также газообразных веществ. В связи с

этим, как можно видеть, изменения энтропии везде

положительны и

не очень

сильно

различаются — ведь приращения

энтропии во всех

четырех

реакциях

связаны с появлением моля

вещества

в наиболее

хаотизированном

газообразном состоянии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

13

 

 

Термодинамические

характеристики

некоторых

 

 

 

 

простых

реакций с участием

газов

 

 

 

 

 

 

 

Д Я 2 9 4 .

AS a os ,

 

 

 

 

Р е а к ц и я

 

ккал/моль

реак­

 

 

 

 

ккал/моль

кал/град-моль

ций

 

2 С 0 2 = 2СО +

0 2

135,3

41,5

 

122,9

(V.67)

 

2N 2 0 = 2N 2 +

0 2

—39,0

35,4

 

—49,5

(V.68)

 

2N0 2

= 2NO +

0 2

27,0

34,7

 

16,7

(V.69)

 

2 N 0 2

= N 2 + 20 2

— 16,2

28,8

 

—24,8

(V.70)

Зато сильно различаются

тепловые эффекты — от

эндотермического

процесса

диссоциации

С0 2 (+135,3 ккал/моль)

до

экзотермического

разложения закиси азота на азот и кислород. Сопоставление значе­ ний AG с тепловыми эффектами показывает, что последние опреде­ ляют для этих реакций знак и величину AG, а отсюда и термодина­ мически вероятное направление реакции. В связи с этим, отнюдь не отказываясь от приведенной ранее критики принципа Бертло следует указать на многочисленность примеров, когда в общем не­ верный принцип подтверждается. Так, большие положительные зна­ чения АЯ для реакций (V.67) и (V.69) определяют также положитель­ ное изменение изобарного потенциала. Следовательно, в стандартных условиях могут самопроизвольно протекать реакции противополож­ ного направления. Для закиси азота справедливо обратное. Здесь отрицательное значение АЯ ведет к отрицательному AG и это застав-

120 —

ляет считать N 2 0 веществом неустойчивым при обычных условиях. Возможность же ее применения в лабораториях и медицинской прак­ тике обусловлена кинетическими причинами, т. е. очень малой ско­ ростью разложения закиси азота, что в отсутствие катализаторов де­ лает ее практически устойчивой.

Т а б л и ц а 14*

Термодинамические характеристики некоторых веществ: стандартные тепловые эффекты, энтропии и изобарные потенциалы реакций образования из простых веществ

Вещество

Ag

газ)

AgCl

газ)

AgCl

тв)

Al

газ)

AICI3

тв)

В

газ)

BC13

газ)

B 2 H e

газ)

Ba

газ)

ВаС12

тв)

Сгаз)

Салмаз)

Сграфит) СО газ)

С 0 2

газ)

 

 

Н

газ)

 

Н 2

газ)

 

D 2

газ)

HD

газ)

Н 2

0

газ)

Н 2

0

ж )

н2 о2

ж)

 

 

N

газ)

N 0

газ)

 

 

О

газ)

 

о3

газ)

он

газ)

сн4

газ)

с2

н2

газ)

с2

нв

газ)

с0

нв

газ)

цикло С 6 Н 1 2

ккал/моль

208"

ккал/моль

ккал/град-моль

69,12

23,23

-30,36

75,00

-166,2

97,2

-94,5

7,5

-41,96 -205,56

171,698

0,4532

0,000 -26,416

-94,052

52,089

0,000

0,000

0,037

—57,7979

-68,3174 —44,88 85,565 21,600 59,159 34,5 10,06

— 17,889 54,194

-20,236

19,820

29,43

41,322

52,84

58,5

16,79

22,97

-26,22

39,303

65,3

25,64

-152,2

36,649

86,7

69,29

-90,9

55,66

19,8

40,699

34,60

30

-193,8

37,761

160,845

0,5829

0,6850

1,3909

0,000

47,216

—32,808

51,071

-94,260

27,3927

48,575

31,208

0,000

34,602

0,000

34,341

— 0,391

45,106

-54,6357

16,716

56,6902

36,6147

81,471

50,339

20,719

38,4689

54,994

56,8

39,06

43,888

8,93

44,50

-12,140

47,997

50,000

54,85

—7,860

74,86

30,989

71,28

7,59

* Справочник химика, Т. I, П . М. — Л . , Госхимиздат, 1963, стр. 774, 854.

Интересно сопоставить две последние реакции (V.69)

и

(V.70)

(см. табл. 13). Их сопоставление

позволяет

сравнить

 

с

термо­

динамической точки зрения два процесса

разложения

двуокиси

азота.

Как

при этом

выясняется,

N0 2

не

должна

разлагаться

в стандартных условиях

на окись

азота

и

кислород,

но

обрат­

ная

реакция

самопроизвольна. Однако

та

же двуокись

азота

121 — '

неустойчива

в

отношении

разложения на простые вещества, т. е.

азот и кислород *.

 

В

табл.

14 приведены

основные термодинамические характери­

стики

некоторых

веществ.

 

§4. Зависимость изобарного потенциала реакции

от температуры

Как уже говорилось, основная термодинамическая характерис­ тика химической реакции AGr, вообще говоря, довольно сильно зави­ сит от температуры. Эта зависимость устанавливается различными мето­ дами; из них в первую очередь следует указать на аналитический вы­ вод функции AGr = / (Т), а также на вычисление AGr при различных температурах методами статистической термодинамики (гл. VI). Обратимся к первому из упомянутых методов. Будем исходить из известного уравнения Гиббса — Гельмгольца (V.48); переписываем его, помня о постоянстве давления и заменяя частную производную обычной:

 

 

dAG

 

AGT

= &HT + - j f - .

(V.71)

Перегруппируем последнее выражение и разделим его на Т2 :

 

Td&G — &GrdT

Д Я Г

 

j—t—

= - - f L d T .

(V.72)

Левая часть (V.72) является дифференциалом дроби AG/Г,

поэтому

d[—j

=

- - T f d T .

(V.73)

Таким образом получено уравнение, лежащее в основе аналитического вычисления зависимости AGr от температуры.

Перед рассмотрением различных способов использования урав­ нения (V.73) условимся применять его преимущественно к стандарт­ ным условиям; для этого достаточно приписать AGr и Д # г верхние индексы нуль, т. е»

 

 

 

/AG° \

 

ДЯ°Т

 

 

 

 

d [ — J =

--f^rdT-

(V.74)

 

Далее, возьмем неопределенный интеграл соотношения (V.74):

 

 

 

AGr = - Т

 

dT - f JT,

(V.75)

где

J

— постоянная

интегрирования,

которую необходимо

вычислять

 

 

J

 

 

в каждом отдельном случае, а для вычисления интеграла в правой части

*

На

основе приведенного термодинамического анализа

реакций (V.69) и

(V.70)

в

последнее время пытаются решить проблему очистки

выхлопных газов

автомобилей от окиси азота, отравляющей атмосферу городов. Именно окись азота

предлагается переводить

в двуокись

по реакции, обратной (V. 69), а далее разла­

гать N 0 2 каталитически

на азот и

кислород по (V.70)

надлежит использовать зависимость теплового эффекта от температу­ ры, даваемую формулой Кирхгоффа (11.91). В общем виде получается

AG]

Mij

+ ^ACpdT

dT + JT.

(V.76)

Теперь вспомним, что применение формулы Кирхгоффа

рассматри­

валось в трех приближениях:

 

 

 

1. Теплоемкости

исходных

веществ

и продуктов

одинаковы,

т. е. АСР = 0 и АН= AHj = const.

2.Теплоемкости исходных веществ и продуктов различны, но их разность постоянна АСР = const.

3.Теплоемкости участников реакции зависят от температуры. Рассмотрим в тех же приближениях

формулу (V.76). В первом, наиболее гру­ бом приближении получается

 

ДСг = АЯ +

JT.

 

 

(V.77)

 

 

 

 

 

 

Здесь опущены индексы у АН, поскольку

 

 

 

 

 

 

они при этом

приближенном

вычислении

 

 

 

 

 

 

теряют смысл. Несмотря на приближен­

 

 

 

 

 

 

ность,

формулу

 

(V.77)

 

вполне

можно

 

 

 

 

 

 

использовать

не

в

очень

широком

ин­

 

•Ш

380

 

тервале

температур

и

для

ориентиро­

 

 

 

Г, "Л

 

 

вочных

подсчетов.

Мы

 

ее

используем

Рис. V.9.

Изменение AG°T

впоследствии

при

интегрировании

так

с температурой для

реакции

называемого

уравнения

 

изобары

Вант-

диссоциации

(V.78)

 

удовлет­

Гоффа,

а пока

ограничимся

демонстра­

воряет

линейной

зависимо­

цией графика

(рис. V.9) зависимости

изо­

 

сти

(V.77).

 

барного

потенциала

от температуры

реак­

 

 

 

 

 

 

ции диссоциации

кислого фтористоводородного тетраметиламмония:

 

 

(СН3 )4

NFHF (тв) ^

(СН3 )4 NF (тв) + HF

 

 

 

(V.78)

Как видно из рис. V.9, в данном случае линейная

зависимость

(V.77)

удовлетворительно

выполняется. Укажем, что формулу

(V.77)

можно

было получить и непосредственно из уравнения (V.48) AG = АН

 

—TAS,

допустив наряду

с постоянством

теплового

эффекта

реакции

также

и независимость

изменения

энтропии от температуры. Таким

образом

в рассматриваемом

приближении

постоянная

интегрирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У = —AS,

 

 

 

 

 

(V.79)

т. е. непосредственно

равна энтропии реакции. Формула

(V.77)

вместе

с (V.79) полезна еще и тем, что она указывает на изменение энтропий­ ного члена TAS как на главную причину изменения AG реакции с тем­ пературой. Иначе говоря, изобарный потенциал реакции тем сильнее зависит от температуры, чем больше в ходе реакции изменяется энтро­ пия системы, т. е. чем сильнее изменяется общая беспорядочность ее

123 —

молекулярного состояния *. В табл. 15 приведены данные, показыва­ ющие изменение A G T для некоторых реакций в интервале температур 298—596° К. Как видно, зависимость AG = / (Г) довольно значительна, хотя это в отдельности для А Н и AS не свойственно.

 

 

 

 

Т а б л и ц а 15

Иллюстрация зависимости

изобарного

потенциала

 

реакций от температуры

 

Р е а к ц ии с участием

газов

ккал/моль

5901

 

 

 

ккал/моль

N O ( r ) + i - 0 2

( r ) =

N 0 2 ( r )

—8,33

—2,97

СО (r) + i - 0 2

= C0 2 (г)

—61,4

—55,1

С 2 Н 4 (г ) + Н 2

(г) = С 2 Н в ( г )

—24,1

— 15,2

Реакции с участием твердых

 

 

веществ

 

 

+31,2

+ 19,8

СаС0 3 (тв) = СаО (тв) + С 0 2 (г)

С(графит) + 1 о 2 ( г ) = СО-гг)

—32,8

—39,4

Перейдем ко второму приближению, когда постоянной считается разность теплоемкостей. Если А С Р = const, то интегрирование урав­ нения (V.76) приводит к следующему результату:

AG°T = АН

j - \ - А С РТ 1пТ + / 7 \

(V.80)

Или, переходя к десятичному

логарифму,

 

AGr = A# y - 2,303AC p rigr + Л \

(V.81)

Эта формула по сравнению с (V. 77) уже более точно передает зависимость AG = / (Т) и ее можно использовать в более широком интервале тем­ ператур.

Рассмотрим вновь реакцию превращения метана в ацетилен (V.61), для которой было найдено Авш = 74 280 кал/моль.

На стр. 118 приведены теплоемкости участников реакции; исполь­ зуя их, находим А С Р :

Д С Р = 10,5 + 3-6,89-2-8,54 = 14,09 кал/град•

моль.

Далее, записывая формулу

Кирхгоффа во втором приближении

 

AHT

=

AHJ-\-AC'PT

 

находим константу AHJT

если, как следует из (V.62),

 

 

АЯ.298 =

89 972

 

АНj = АЯ;9 8 -

АС; 298,15 = 89 972 - 14,09 • 298,15 =

 

= 85 771

кал/моль.

(V.82)

* Об интерпретации энтропии как меры беспорядочности молекулярного со­ стояния системы см. § 1 гл. V I .

----- 124 —

Теперь можем переписать формулу для AG°T (V.81) в таком виде AG'T = 85 771 — 14,09Г In Т + J T .

Здесь остается неизвестной постоянная интегрирования J . Определяем ее, используя уже известное значение AG298 = 74 280 кал/моль:

r

AG° -АН.

74280-85711

 

J =

298,15 J + A C ; i n 2 9 8 , 1 5 =

2 9 8 1 5

+

 

+ 14,09 • 2,303 lg 298,15 = 41,750.

 

Теперь можем написать окончательно формулу второго приближения

 

AG°T

= 85 771 -

14,09 • 2.303Г lg Т + 41,750Г кал/моль

С2 Н2 . (V.83)

 

В табл.

16 приведены

значения AGT для ряда температур. Таким

образом, стандартный

изобарный потенциал реакции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2СН4 = С2 Н2 + ЗН2

 

 

 

 

с

повышением

температуры изменяет

знак

и при

1500° К реакция

в

стандартных

условиях

уже

становится

самопроизвольной.

Этот

расчет,

выполненный

в

до­

 

 

 

 

Т а б л и ц а 16

вольно

широком

 

интервале

 

 

 

 

 

Значения

стандартного

изобарного

температур,

 

не может претен­

довать на большую

 

точность,

потенциала реакции (V.61) для различных

 

 

 

температур

 

 

тем не менее он правильно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

передает общий

характер за­

 

 

AGj,

ккал/моль

 

висимости

изобарного

потен­

 

 

 

т, °к

 

 

 

 

 

циала реакции

(V.61)

от тем­

2-е

п р и б л и ж е н и е ,

3-е приближение,

пературы. Именно при темпе­

 

формула (V.83)

формула

(V.88)

ратурах

выше

1500° К

воз­

 

 

 

 

 

 

можно практическое

осущест­

298,15

 

74,280

 

74,280

вление

реакции

получения

 

 

500

 

62,857

 

62,894

ацетилена из природного газа

750

 

47,113

 

47,489

метана.

В

 

технологических

1000

 

30,174

 

31,411

методах необходимая высокая

1250

 

12,344

 

15,100

температура

достигается

или

1500

 

—6,195

 

—1,194

1750

 

—25,325

 

— 17,294

с помощью

 

мощной

электри­

2000

 

—44,959

 

—33,104

ческой

дуги

(метод

электро­

 

 

 

 

 

 

крекинга), или сжигания части метана (окислительная конверсия).

При необходимости получения более точной зависимости по треть­ ему приближению обращаются к тем или иным формулам, передаю­ щим зависимость теплоемкости от температуры и уже обсуждавшимся

в гл. I I в

связи с использованием формулы Кирхгоффа. Если, как

чаще всего

поступают, выражать теплоемкость участников реакции

в виде эмпирических степенных рядов,

например

 

С; = а + ЬТ + сТ2

+ ...,

то АСр выражается, как уже известно, также степенным рядом!

АѰР= Аа + АЬТ + АсТ2 +...

125 —

Подставив это значение в интеграл (V.76), получают выражение

AGT = AHj-AaT\nT-~AbT2-\

AbT3-...+

JT,

(V.84)

которое Льюис и Рэндалл назвали в своей книге (см. список литера­ туры) общим уравнением свободной энергии * реакции. Здесь посто­ янные для данной реакции величины АНj и J необходимо определять, пользуясь формулой Кирхгоффа третьего приближения (11.107) и непосредственно формулой (V.84). Иначе говоря, эти постоянные будут отличаться от аналогично обозначенных постоянных в формуле (V.80). Если же воспользоваться иной функцией теплоемкости, а именно (11.104), то для теплового эффекта по формуле Кирхгоффа получается выражение

АНт = AHj + AaT + ~ АЬТ2 + 1 АсТ3 - Ac'T'1,

(V.85)

а уравнение третьего приближения для изобарного потенциала при­ нимает вид, отличающийся от (V.84) дополнительным членом:

AG°T ^AHj-AaT

In Т -~ AbTz

АсТ3 — ^

Ac'T'1

+ JT.

(V.86)

Вычислим по этому уравнению AGr реакции

2СЯ4

= С 2 Я 2

+ ЗЯ2 ,

воспользовавшись теплоемкостями участников реакции, приведенными

в табл. 4, в функциях которой члены в Т3

опущены. Примем

для

 

СН4

С°р =

5,65 +

11 • 44 • 10'3 Т

-0,46-1WT'2

кал/град

• моль

 

 

Н а

Ср =

6,52 + 0,78-10-3 7Ч-0,12- 10ЬТ2

кал/град• моль

 

 

С2 Н2

С ; = 12,13 + 3,84- 10-3 Г —2,46- 105 Г2

 

кал/град-моль

 

Находим

теперь

значение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аб7 = 20,39,

АЬ = - 16,70-10"3

и

Ас' =

-

1,18-10»

 

и

записываем формулу

Кирхгоффа

(V.85)

для

298,15° К:

 

 

 

Д Я 2 9 8 = 89972 = АН j + 20,39 • 298,15 -

±

16,70 • 10- 3 (298,15)2

+

 

 

 

 

 

 

+ 1,18-10б (298,1s)-1.

 

 

 

 

 

Из

этого

уравнения с одним неизвестным определяем постоянную

АЯу =

84239. Далее

записываем формулу

(V.86) с известными

значе­

ниями

констант:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AGJ98 = 74280 = 84239 - 20,39 • 2,303 • 298,15 lg 298,15 +

 

 

 

 

+ 8,35-10"3

(298,15)а + 0,59 • 105

(298,15)~х

+ JT

 

(V.87)

 

* В этой книге вместо принятого здесь обозначения AG пишется Д/7 , но имеется

в виду

изобарный

потенциал — свободная

энергия

Гиббса,

 

 

 

 

— 126 —

и вычисляем J — 79,637. Теперь формула третьего приближения при­ нимает следующий окончательный вид:

AGT = 84239 - 46.958Г lg Т + 8,35 • 10~3Т2

+ 0,59 • 1 0 5 Г - 1 +

+ 79,6377.

(V.88)

Вычисленные по этой формуле значения AG°T

Д Л Я тех же температур,

что и ранее приведены в табл. 16. Из полученных данных видно, что

значительное расхождение между третьим и несравненно более про­ стым вторым приближением наблюдается при самых высоких темпе­

ратурах, т. е. 1500, 1750 и 2000° К, именно когда появляется

возмож­

ность

осуществления

реакции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, в данном случае

 

8 0 <

 

 

 

 

 

 

 

второе

 

приближение

не

может

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точно

указать

возможные выхо­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ды ацетилена при высоких тем­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пературах. Что же касается уме- ^ 20

 

 

 

 

 

 

 

ренных

температур, то, вообще

£ о

 

 

 

 

 

 

 

говоря,

второе

 

приближение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дает

приемлемые

результаты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На

 

рис.

V.10

результаты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расчетов приведены в виде зави­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

симости

AGT f

( Т ) .

Как видно,

 

 

 

 

 

 

 

 

оба

графика

отклоняются

от

 

Рис. V.10. Зависимость стандартного изо­

прямой, однако

любопытно, что

 

 

барного

потенциала

реакции

2CHj

=

в

данном случае

зависимость

 

 

= C2 H2 -f-3H2 от температуры:

 

более

точного

третьего прибли­

 

/ — второе

п р и б л и ж е н и е

ДС „ = const,

фор ­

жения

ближе

к линейной.

 

 

 

мула

(V . 83); 2 — третье

п р и б л и ж е н и е

АС

=

 

Рассмотрим

еще

один

ва­

 

 

 

 

=

I (Г), формула (V . 88)

 

 

 

риант

 

использования

 

уравне­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ния (V.74), которое, во-первых,

интегрируют в пределах

измене­

ния температуры от 298,15 до Т:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АС­

A G 2 9 8

_

_

 

АН'

-dT

= —

 

298

dT =

 

 

 

 

 

 

298,15

 

 

J

T2

 

T2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"•'

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

298,15

 

 

 

298

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

T

.

T

 

ч

 

 

 

 

 

 

 

-

J

298,15 ^

d

T

-

 

298,15J

298,15j

AQdTJdT^

 

 

 

 

 

AH

AH298,18

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

~

 

J

{Aa-YAbT

+

AcT^Ac'T-^dT;

 

 

 

 

 

 

298,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

298,15

298,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

причем в правой части при интегрировании использованы степенные ряды (11.104). Во-вторых, применяют также равенство

AG298.15 = АЯ298.15 - 298,1 5А5298.15

и получают

Т Т Т

 

 

-

dT-Ab

^

^

7 W -

 

298,15

298,15

298,15

298,15

 

Т

Т

 

Т

Т

 

 

- А с \ ~

§ ТЫТ

Ac'

\ d~

\ Т~ЧТ.

(V.89)

298,15

298,15

 

298,15

29*8,15

 

 

В последнем равенстве коэффициенты Да, АЬ... вынесены за знаки интегралов, а сами интегралы зависят только от верхнего предела интег­ рирования; их значения были вычислены и сведены в таблицу Темкиным и Шварцманом (см. Приложение 3). Интегралы в (V.89) обозна­ чают символами Мп, Ми М2,..., М_2, причем индекс у М определяется показателем степени в ряду разложения теплоемкости:

AGT

= AH:m

-

TAS'in - Т

{АаМ0 + AbMi + АсМ2 +... + Ас'М_2}. (V.90)

Для

вычислений AGT П О

этой^ формуле достаточно знать тепловой эф­

фект

реакции,

стандартные энтропии веществ при 298,15° К, а также

коэффициенты

в выражениях

для теплоемкостей. Сами вычисления

значительно

облегчаются с

применением таблицы Приложения 3.

Приведенные выше методы определения изобарных потенциалов можно назвать аналитическими. Однако в настоящее время все больше распространяются методы, связанные с составлением и использова­ нием таблиц термодинамических свойств при различных температурах. В принципе можно было бы сводить в таблицы непосредственно AG для реакций при различных температурах. Однако реакций очень много и все их свести в таблицы невозможно. Кроме того, AG сильно меняется с температурой, и поэтому чтобы иметь достаточно точные данные для любой температуры, пришлось бы помещать в таблицы значения через малые температурные интервалы.

Удобными для табулирования оказались две близкие термодина­ мические функции:

Ф = -

\

"

(V.9I)

и

G°r

— Я ! л п

 

ф ' = _

(V.92)

г

ш .

Обе функции можно назвать приведенным изобарным

потенциалом

вещества, причем Ф — приведенный

изобарный потенциал на основе

нулевой энтальпии (Но), а Ф' — приведенный изобарный потенциал на основе # 2 9 8 . т - е - энтальпии при 298,15° К- В гл. V I будет показано, что для газов функцию Ф можно непосредственно рассчитать методами статистической термодинамики, если известны найденные спектроско­ пически энергетические уровни молекул. Для твердых веществ приве­ денный изобарный потенциал можно рассчитать, используя третий закон

• — 128 — .

термодинамики, графическими методами или вычисляя один из сле­ дующих двойных интегралов:

- Ф : G±^=-^dT{^dT

(V.93)

О

о

т

т

 

(V.94)

о

о

Соотношение (V.93) получается при интегрировании дифференциала dG = — SdT (р = const), а выражение (V.94) выводится способом, весьма близким к выводу (V.76). Также следует иметь в виду равенство

н1 - я : (V.95)

Поскольку первое интегрирование в уравнении (V.93) дает энтропию, по соотношению (V.95) можно определить энтальпию веществ Н\ —

— #о без специального вычисления соответствующего интеграла. Также и при использовании уравнения (V.94) первое интегрирование дает Н°т — #о, и равенство (V.95) позволяет найти и энтропию вещества S°T. В формулах (V.93) — (V.95) символ #о означает стандартную нулевую энтальпию, т. е. отнесенную к абсолютному нулю. Поэтому при вычис­ лении интегралов (V.93) и (V.94) необходимо использовать функции Ср = f (Т), сохраняющие свое значение до области, близкой к абсолют­

ному

нулю. При асболютном

нуле из определений, ясно, что

 

 

 

 

G0 = H0 — U0 = F0.

 

 

 

Иллюстрируем использование приведенного изобарного потенци­

ала Ф на примере фазового

превращения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(V.96)

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 17

 

Приведенный

изобарный

потенциал Ф для двух

модификаций

 

 

 

 

серы, кал/град

• моль

 

 

 

 

Р о м б и ч е с к ая

Моноклинная

 

ДФ (V.96) =

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОг-

т, * к

н°т - н;

Sj

 

"т - и1

 

 

AGj—ДЯц

Т

 

т

Т

кал/моль

 

т

 

т-

 

 

 

240

3,12

6,50

3,38

3,21

6,62

3,41

—0,03

+33,3

298,15

3,53

7,62

4,09

3,65

7,82

4,17

—0,08

+16,6

350

3,83

8,51

4,68

3,97

8,74

4,77

—0,09

9,0

368,5

3,93

8,81

4,88

4,08

9,07

4,99

—0,11

0,0

380

 

 

 

 

 

~*~

—3,0

В табл. 17 приведены определенные калориметрически значения эн­ тальпий и энтропии для обеих модификаций серы и вычисленный на их основе приведенный изобарный потенциал при температурах 240,

5 Еремин Е. Н,

— 129 —

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ