Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методичка по физхимии . Вариант5а.doc
Скачиваний:
1046
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
3.32 Mб
Скачать

1.7. Применение второго закона термодинамики к неизолированным изотермическим системам

1.7.1. Энергии Гельмгольца и Гиббса

Между теорией и действительностью должно

быть полное согласие – иначе ничего не стоит

самое красивое теоретизирование.

Д.И. Менделеев

Химики чаще всего имеют дело с неизолированными изотермическими системами. Для таких систем американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903) ввёл в науку, вместо энтропии, более удобные критерии, позволяющие ответить на вопрос о направленности химической реакции при постоянном объёме или давлении в системе. Эти критерии получаются путём анализа объединения I и II законов термодинамики.

Сначала рассмотрим самый простой вывод этих критериев для реакций, протекающих без совершения работы, за исключением работы расширения газа.

При постоянстве объёма системы второй закон термодинамики принимает следующий вид:  

Для самопроизвольного (необратимого) процесса dS>dU/T. (7.1)

Для равновесного (обратимого) процесса dS= dU/T. (7.2)

Для не самопроизвольного процесса dS<dU/T. (7.3)

Из (7.1-7.3) следует выражение

d(U-TS)£0 или dF£0 (7.4)

Функция состояния F называется энергией Гельмгольца.

Из (7.4) следует, что в изохорно-изотермических системах, не подверженных действию никаких сил, кроме давления, энергия Гельмгольца уменьшается при самопроизвольных процессах или остается постоянной при равновесных процессах.

При постоянстве давления второй закон термодинамики принимает следующий вид:

Для самопроизвольного (необратимого) процесса dS>dH/T. (7.5)

Для равновесного (обратимого) процесса dS= dH/T. (7.6)

Для не самопроизвольного процесса dS<dH/T. (7.7)

Из (7.5-7.7) следует выражение

d(H-TS)£0 или dG£0 (7.8)

Функция состояния G называется энергией Гиббса.

Из (7.8) следует, что в изобарно-изотермических системах, не подверженных действию  никаких сил, кроме давления, энергия Гиббса уменьшается при самопроизвольных процессах или остается постоянной при равновесных процессах.

Теперь рассмотрим более сложный случай – вывод рассмотренных выше критериев для реакций, протекающих с совершением работы.

Случай 1. Изохорный изотермический процесс

Объединим I и II законы термодинамики:

TdS ³ dU + δA (7.9)

При этом знак равенства относится к равновесным процессам, а знак неравенства – к самопроизвольным. Из (7.9) следует, что

δA £ d (U-TS) = -dF (7.10)

Согласно (7.10) убыль энергии Гельмгольца в равновесном изотермическом  процессе равна работе всех действующих сил. При неравновесном  (самопроизвольном) процессе работа, совершаемая системой, меньше убыли энергии Гельмгольца.

Если сумма всех работ равна нулю, то получаем выражение  (7.4).

Случай 2. Изобарный изотермический процесс

Объединим I и II законы термодинамики:

TdS ³ dH + δAпол (7.11)

В уравнении (7.11) δAпол - сумма всех работ, кроме работы расширения, называемая условно полезной работой. Тогда получим неравенство

δAпол £ - d(H-TS) = -dG (7.12)

Согласно (7.12) убыль энергии Гиббса в равновесном изотермичес-ком процессе равна полезной работе. При неравновесном (самопроизволь-ном) процессе полезная работа, совершаемая системой, меньше убыли энергии Гиббса. Если полезная работа равна нулю, то получаем выражение (7.8). Поскольку энергии Гельмгольца и Гиббса – функции состояния, то их изменения не зависит от пути процесса, а определяются лишь начальным и конечным состояниями системы. Следовательно, эти энергии можно рассчитать комбинированием соответствующих энергий других реакций (аналогично комбинированию термохимических уравнений). В этом и состоит обобщённый закон Гесса.