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

Научно-техническая программа КНР взгляд в будущее
В начале 1999 года был опубликован доклад Лозанского Международного Института Развития и Менеджмента, в котором китайские наука и техника по итогам 1998 года уверенно заняли 13 место в мире. Беспрецедентный скачок с 20 места в 1997 году еще раз доказал, что Китай уверенно идет вперед по пути реформ научно-технической и ...

История исследований космоса
По всей вероятности, первыми внеземными объектами, которые привлекли внимание человека еще в глубокой древности, были Солнце и Луна. Вопреки известной шутке о том, что Луна полезнее Солнца потому, что светит ночью, а днем и без того светло, первостепенная роль Солнца была отмечена людьми еще в первобытную эпоху, и это ...