3. Следствия из тепловой теоремы Нернста.

I следствие. Производная в соответствии с уравнением Кирхгофа (3.26) равна алгебраической сумме теплоемкостей составных частей системы. Но, поэтому:

. (5.9)

Это означает, что при абсолютном нуле для конденсированных систем строго соблюдается правило Неймана - Коппа об аддитивности теплоемкостей.

Нернст пошел дальше и доказал, что не только алгебраическая сумма всех теплоемкостей равна нулю (5.9), но и теплоемкость каждого в отдельности конденсированного тела равна нулю:

. (5.10)

Ранее в главе II показано, что этот вывод находится в согласии с опытом и что он следует из квантовой теории теплоемкости.

II следствие. Согласно тепловой теории Нернста . Но, a, поэтому:

. (5.11)

Условие (5.11) показывает, что при любых процессах с конденсированными телами при абсолютном нуле температуры энтропия не изменяется. Это равносильно тому, что энтропии всех конденсированных тел при Т 0 одинаковы. М. Планк (1912 г.), расширяя теорему Нернста, предложил, что и для каждого конденсированного тела в отдельности:

, (5.12)

т. е. энтропия правильно образованного кристалла чистого вещества при абсолютном нуле температур равна нулю.

Формулировка М. Планка позволяет вычислять абсолютные значения энтропии, что открыло путь к широкому применению таблиц термодинамических функций для вычисления химических равновесий.

III следствие. Для того, чтобы найти величину const в уравнении (5.4) можно поступить следующим образом: уравнение вводится в уравнение (5.3):

.

Интегрирование в пределах от 0 до Т дает:

или

.

Полученное выражение идентично выражению (5.4), если положить, что .Но согласно уравнению Гиббса - Гельмгольца ():

, где .

Поэтому:

const = 0, (5.13)

что устраняет неопределенность в интеграле уравнения Гиббса - Гельмгольца (5.4) и позволяет получить истинные значения А = f (Т) для конденсированных систем.

Теорема Нернста непосредственно к газовым равновесиям неприменима. Поэтому для них она не может дать численного значения const в уравнении Гиббса - Гельмгольца (5.4).

Однако косвенным путем она дает важные сведения. Оказывается, что величина const интегрирования в уравнении изобары химической реакции:

равна алгебраической сумме истинных химических постоянных продуктов химической реакци:

, (5.14)

что позволяет вычислять химическое сродство при различных температурах для газовых равновесий.

4. Расчет абсолютных значений энтропии.

Ранее были получены уравнения, позволяющие вычислять изменение энтропии по известным изменениям параметров системы и известным теплоемкостям.

Формулировка Планка (5.12) позволяет вычислять абсолютное значение энтропии конденсированных веществ, так как в этом случае необходимость выбора условного начала отсчета этой функции отпадает. В самом деле, если рассматриваемое вещество при температуре Т находится в кристаллическом состоянии и в той же модификации, что и при абсолютном нуле, то его энтропия определится следующим образом:

, a dq = CdT, тогда

или окончательно

, т. к. S₀ = 0.

Если же в интервале (0 - Т) К вещество при температуре Т_Ф.П переходит из одной формы в другую, то следует учесть возрастание энтропии данного фазового перехода согласно уравнению (4.47), которое составит:

,

где q_Ф.П. - энергетический эффект фазового перехода.

Для примера: рассчитать энтропию газообразного вещества при температуре Т, если при температуре Т_S оно плавится с энергетическим эффектом , а при температуре Т_Е переходит в газообразное состояние, причем энергетический эффект этого перехода . При температурепроисходит полиморфное превращение с энергетическим эффектом.

Тогда энтропия вещества при температуре Т определится из выражения:

, (5.15)

где С_Р() - теплоемкость- модификации вещества;

С_Р() - теплоемкость- модификации вещества;

С_Р(Ж) - теплоемкость вещества в жидком состоянии;

С_Р(Г) - теплоемкость вещества в газообразном состоянии.

Таким образом можно определить абсолютное значение энтропии веществ в различных состояниях и при любых температурах.

Хотя абсолютное значение энтропии можно определить аналитически с помощью теоретических или эмперических зависимостей С = f (Т), но более надежным является графический метод расчета, тем более что он является и наиболее удобным.

Для этой цели обычно строятся кривые в координатах или С_Р - lnТ (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Графический метод определения абсолютного значения энтропии по зависимости С_Р = f (lnT).

Площадь, ограниченная кривой, осью абцисс и ординатой при заданной темепературе (Т или lnT) соответствует энтропии при данной температуре за вычетом энтропии фазовых переходов.

Определение абсолютного значения энтропии можно произвести и другими методами. Можно, например, использовать спектральные данные и данные о строении молекул. Полное согласие между результатами определения энтропии этиим двумя методами доказывает справедливость постулата Планка и, в частности, указывает на надежность этих методов.