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

термодинамика - презентация

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
04.02.2026
Размер:
612.75 Кб
Скачать

Так, в случае самопроизвольного

протекания процесса при V, T = const, FV,T < 0, а при p, T = const, Gp,T < 0.

При равновесии FV,T = 0, Gp,T = 0.

Поскольку большинство реакций протекает при условии постоянства давления и температуры, то в качестве критериев направленности процесса и равновесия в системе выступает изменение энергии Гиббса ∆G.

Рассмотрим способы расчёта G

Для количественных расчётов изменения энергии Гиббса пользуются справочными данными величин стандартных энергий Гиббса образования вещества (G0f, 298).

1) G0r = ∑ G0f продуктов - ∑ G0f исходных веществ

с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

2) G0r = H0r - TSr ,

где H0r = ∑ H0f продуктов - ∑ H0f исходных веществ ,

S0r = ∑ S0продуктов - ∑ S0исходных веществ ,

T = 298 K

Для расчётов изменения свободной энергии Гиббса при температурах, отличных от стандартной:

GT = HT - TST ,

где HT = H0298 + C0p, 298·(T – 298)

• ∆ST = S0298 + C0p, 298·ln(T/298)

Дифференциалы

термодинамических потенциалов для закрытых систем постоянного состава

Внутренняя энергия

Для закрытой системы постоянного состава, в которой может совершаться только работа расширения:

δQ = dU + pdV; δQ = TdS;

TdS = dU + pdV;

dU = TdS – pdV

 

 

 

 

 

Внутренняя энергия U является функцией двух переменных –

 

энтропии (S) и объёма (V):

U=f(S, V)

Это уравнение называют фундаментальным уравнением для закрытой системы постоянного состава, которая может совершать только работу расширения.

Частные производные внутренней энергии:

а) V=const; dV=0; dU=TdS; (∂U/∂S)V=T

б) S=const; dS=0; dU=-pdV; (∂U/∂V)S= -p

Таким образом, через первые производные термодинамического потенциала U (по переменным V и S) определяются недостающие параметры состояния системы Т и р.

Полный дифференциал функции U:

dU = (∂U/∂S)V·dS + (∂U/∂V)S·dV

Энтальпия

H = U + pV;

dH = dU + pdV + Vdp;

dH = TdS – pdV + pdV + Vdp = TdS + Vdp

dH = TdS + Vdp

• Энтальпия H является функцией двух переменных –

энтропии (S) и давления (p):

H=f(S, p)

Частные производные энтальпии:

а) p=const; dp=0; dH=TdS; (∂H/∂S)p=T

б) S=const; dS=0; dH= Vdp; (∂H/∂p)S= V

Следовательно, через первые производные термодинамические потенциала Н определяются недостающие параметры состояния системы по независимым переменным р и S.

Полный дифференциал функции H:

dH = (∂H/∂S)p·dS + (∂H/∂p)S·dp

Энергия Гельмгольца

Для нахождения полного дифференциала функции F

 

 

продифференцируем уравнение F = U – TS:

 

 

dF = dU – TdS – SdT

(1)

δQ = dU + pdV, δQ = TdS; TdS = dU + pdV,

dU = TdS – pdV

(2)

После подстановки уравнения (2) в уравнение (1) получим:

 

 

 

 

 

 

 

dF = TdS – pdV – TdS – SdT = – SdT – pdV,

 

dF = – SdT – pdV

 

(3)

 

 

 

 

Энергия Гельмгольца F является функцией двух переменных –

 

объёма (V) и температуры (T):

F=f(V, T)

 

• Из уравнения (3) находим частные производные

 

(∂F/∂T)V = -S; (∂F/∂V)T = -p,

Видно, что по функции F и ее первым производным при независимых переменных Т и V можно определить недостающий параметр р и функцию S.

Полный дифференциал функции F dF = (∂F/∂V)T·dV + (∂F/∂T)V·dT

• Для химических реакций можно записать:

(∂ΔF/∂T)V = - S;

(∂ΔF/∂V)T = - p,

Энергия Гиббса

•Для нахождения полного дифференциала функции G

продифференцируем уравнение G = H – TS:

 

dG = dH – TdS – SdT

(1)

H = U + pV; dH = dU + pdV + Vdp (2)

•После подстановки уравнения (2) в уравнение (1) получим: dG = dU + pdV + Vdp – TdS – SdT (3)

•Из объединенного уравнения 1-го и 2-го законов термодинамики имеем:

dU = TdS – pdV (4)

 

 

 

 

•После подстановки уравнения (4) в уравнение (3) получим:

 

dG = TdS – pdV + pdV + Vdp – TdS – SdT,

dG = Vdp – SdT

 

(5)

 

 

 

•Энергия Гиббса G является функцией двух переменных – давления (p) и

температуры (T):

G=f(p, T)

 

•Из уравнения (5) находим частные производные.

 

(∂G/∂p)T = V;

(∂G/∂T)p = - S

 

Следовательно, по функции G через ее первые производные пои

 

независимых переменных Т и р можно определить недостающий

 

параметр V и функцию S.

 

 

 

 

dG = (∂G/∂p)T·dp + (∂G/∂T)p·dT

 

Для химических реакций можно записать:

 

(∂ G/∂p)T = V;

(∂ G/∂T)p = - S

 

dU = TdS – pdV dH = TdS + Vdp dF = – SdT – pdV dG = – SdT + Vdp

Четыре эквивалентные формы основного уравнения термодинамики, которое объединяет первый и второй законы термодинамики. Эти уравнения записаны в упрощенном виде – только для закрытых систем

постоянного состава, в которых совершается только механическая работа.

Зная любой из четырех потенциалов как функцию естественных переменных, можно с помощью основного уравнения термодинамики найти все другие термодинамические функции и параметры системы.

Схема соотношений между термодинамическими потенциалами.

 

 

H

U

 

pV

TS

F

pV

TS

G

 

Следует отметить, что все вышеприведенные соотношения справедливы только для закрытых систем постоянной массы и состава. Они применимы, например, для процессов фазовых превращений (испарение, плавление, кристаллизация и т.д).

Для открытых же систем, в которых масса и состав могут изменяться за счёт выведения или добавления вещества, или за счёт протекания химической реакции, внутренняя энергия U, энтальпия H, энергия Гельмгольца F

и энергия Гиббса G являются также функцией количества образующих данную систему индивидуальных компонентов.