Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Раздел1.doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
24.09.2019
Размер:
134.14 Кб
Скачать

Раздел1

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛЫ,

ОБЩИЕ УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ

1. Термодинамические потенциалы

В общем случае уравнение TdS = dU+PdV, объединяю­щее первое и второе начала

термодинамики, можно записать в виде:

TdS = dU+δLмакc. или — (Pd V + δLмакc ) = dU-TdS, ( 1)

(2)

откуда δLмакc = — dU+TdS

где δLмакc—так называемая максимальная полезная работа,а Р dV—работа, затра-

ченная на расширение (сжатие) и необходимая для поддержания в данное мгновение

в системе давления Р.

Из уравнения (2) вытекает наличие характеристических функ­ций состояния системы,

убыль которых в обратимом процессе, протекающем при постоянстве определенной пары

термодинами­ческих параметров, равна максимальной полезной работе. По аналогии

с механикой, где работа постоянно действующих сил также определяется независящей от пути

разностью потенциалов этих сил в на­чальном и конечном состояниях системы, эти функции

называются термодинамическими потенциалами.

Характеристической функцией называется функция состоя­ния, посредством которой

и (или) посредством частных производ­ных (разных порядков) по соответствующим ей переменным могут быть явно выражены термодинамические свойства системы.

Наиболее широко применяемыми характеристическими функциями являются термодинамические потенциалы и энтропия.

В зависимости от условий про­текания процесса различают четыре потенциала:

  1. При V, S = const уравнение (V,2) примет вид

δLмакc = dU или — U =Lмакc , (3)

т. е. энергия является изохорно-изоэнтропийным потенциалом.

2) При Р, S = const из уравнения (2) находим, что

δLмакc =—d(U+ PV),

откуда в соответствии с уравнением H=U+PV

δLмакc = dH и — U = Lмакc. , (4)

т. е. энтальпия является изобарно-изоэнтропийным потенциалом;

По общему признаку (постоянство S) функции U и Н иногда называют изоэнтропийными потенциалами.

3) При V, Т = const уравнение (2) примет вид

δLмакc =d(UTS).

Величина (UTS) является свойством системы: она называется изохорно-изотермическим или, сокращенно, изохорным потенциалом.

Эта функция была введена Гельмгольцем (1882). Обозначим ее через F.

F=UTS (5)

вытекает равенство, поясняющее смысл этой функции: при V, Т= const δАмакc = — dF или —F = Aмакc. ( 6)

В соответствии с уравнениями (5) и (l) изменение изохорного потенциала

в общем случае выражается уравнениями

dF = — δАмакcSdT = — (Pd V + δАмакc) SdT, (7, 8)

из которого при Т, V = const вытекает уравнение (6).

Легко видеть, что это уравнение является видоизмененной записью

В соответствии с уравнениями (5) и (l) изменение изохорного потенциала в общем

случае выражается уравнениями:

dF = — δLмакcSdT = — (Pd V + δLмакc) SdT, (7, 8)

из которого при Т, V = const вытекает уравнение (6).

Если перейти от условия V,T== const к условию Т= const, то из уравнения (l) следует, что

δLмакc = — d(UTS) или — FT = Lмакc , ( 9)

т. е. в обратимом изотермическом процессе убыль изохорного по­тенциала равна максимальной

работе, производимой системой в этом процессе.

Записав уравнение (5) для изотермического перехода из одного состоя­ния в другое, получим

FT= UT T S. (10)

4) При Р, Т = const из уравнения (2) находим

δLмакc = — d (U + PVTS). (11)

Стоящая в скобках величина является свойством системы: обозна­чим ее через G.

G=U — TS+ PV = H~ TS = F+PV. (12)

Эта функция была введена Гиббсом (1875). Из уравнений (11) и (12) вытекает, что при

Р,T = const

δLмакc=—dG и -G = Lмакc, (13)

т. е. функция G является изобарно-изотермическим потенциалом.

При расчетах фазовых равновесий и термодинамических процессов с использованием термодинамических потенциалов и основного определения характеристических функций видна необходимость правильного выбора соответствующих переменных. Так, например, если одной из переменных является T, то в качестве характери­стической функции следует взять F или G в зависимости от того, что выбрано вторым основным параметром: V или Р, при переменных Р и S - энтальпию Н, и т.д . в соответствии с пунктами 1÷4.