Термодинамические и химические потенциалы

Определив значение dU из обобщенного уравнения I и II законов термодинамики, подставляем их в эти формулы, получим:

dF = -pdV – SdT (11)

dG = Vdp – SdT (12)

Выражения (11, 12) и обобщенное уравнение (10) из которого получаем dU являются очень важными в термодинамике.

Однако, они выражают дифференциалы V, F, G для процессов, происходящих в системах, в которых исключены химические превращения, приводящие к изменениям масс составных частей этих систем. Если в системе возможны химические процессы, то необходимо учесть еще изменение dU, вызванное изменением этих масс. Если масса (mi) одной составной части системы изменится на dmi, то вызванное этим изменение внутренней энергии пропорционально dmi и может быть записано так: μidmi, где μi – коэффициент пропорциональности.

Изменение внутренней энергии, вызванное изменением всех масс в системе, выразится формулой:

μ1dm1 + μ2dm2 + μ3dm3 +…+ μkdmk = Σμdm.

Тогда полное изменение внутренней энергии в системе:

dU = TdS – pdV + Σ μdm.

По аналогии для других функций:

dF = -SdT – pdV + Σ μdm;

dG = - SdT + Vdp + Σ μdm.

Коэффициенты пропорциональности μi и есть химические потенциалы. Химический потенциал вещества – это некоторая функция от природы вещества, его концентрации и температуры, которая при обратимых процессах количественно выражает тенденцию данного вещества перейти из одного состояния в другое.

Внутренняя энергия U, свободная энергия F и изобарный потенциал G – функции состояния, следовательно, dU, dF и dG – полные дифференциалы.

Пусть в системе идет химическая реакция:

ν1A1 + ν2A2 = ν1`A1` + ν2`A2`.

Тогда условие равновесия при T = const и p = const или (T = const, V = consr) выразится следующим образом:

ν1μ1 + ν2μ2 = ν1`μ1` + ν2`μ2`.

Для того, чтобы узнать находится ли система при заданных Т и Р (или V) и концентрациях в равновесии, следует в химическое уравнение подставить вместо формул веществ значения их химических потенциалов. Если при этом получается тождество, то система действительно находится в равновесии.

Химические потенциалы есть функции состояния системы и имеют определенное значение при определенных Т, Р, V и концентрациях.

К сожалению нет прибора, который позволил бы измерить μ. Поэтому практически решать вопрос о равновесии приходится другим путем.

Формулы для μi показывают, что химические потенциалы равны изменениям внутренней энергии, свободной энергии или изобарного потенциала, отнесенным при данных условиях к изменению количества i-го вещества на единицу. Количество вещества может быть выражено либо в единицах массы (граммах), либо в химических единицах (молях).

В первом случае мы получаем удельные химические потенциалы, а во втором – мольные. Между ними можно найти соотношение: выражение μdm должно иметь одно значение при обоих способах выражения количества вещества.

μуд – удельный хим. потенциал;

μмол – мольный хим. потенциал;

m – масса вещества;

n – число молей;

М – молекулярный вес вещества.

Другое по теме

Непредельные углеводороды ряда ацетилена (алкины)
Алкины — алифатические непредельные углеводороды, в молекулах которых между углеродными атомами имеется одна тройная связь. Углеводороды ряда ацетилена являются еще более непредельными соединениями, чем соответствующие им алкены (с тем же числом углеродных атомов). Это видно из сравнения числа атомов водорода в ряду: ...

Форма и вращение астероидов
Астероиды так малы, что сила тяжести на них ничтожна. Она не в состоянии придать им форму шара, какую придает планетам и их большим спутникам, сминая и утрамбовывая их вещество. Большую роль при этом играет явление текучести. Высокие горы на Земле у подошвы "расползаются", так как прочность пород оказывается ...