Термодинамические потенциалы. Характеристические функции
Как показано ранее, в изолированных системах энтропия может только увеличиваться и достигать своего максимума, когда система находится в равновесии. Поэтому она и используется для суждения о направлении самопроизвольных процессов в таких системах. Однако в естественных условиях подавляющее большинство процессов протекает в неизолированных системах. По этой причине для них потребовалось ввести другие критерии равновесия. Направление процессов при этом можно характеризовать работой, которую они могут совершать при определенных условиях.
Величина работы, как известно, зависит от пути процесса. Поэтому, казалось бы, она не может служить критерием для суждения о направленности того или иного процесса. Однако если ограничиться рассмотрением частного случая процесса при постоянной температуре, то оказывается, что максимальная работа при обратимом его протекании будет определяться изменением некоторой функции состояния. Действительно, можем написать δW ≤ TdS — dU, или при Т = const
1.62 |
Как видим, при обратимом изотермическом процессе работа, производимая системой, равна убыли некоторой функции состояния
A = U — TS | 1.63 |
Функция (U — TS) получила название изохорно-изотермического потенциала (сокращенно изохорный потенциал) или свободной энергии. Иногда эту функцию называют еще потенциалом Гельмгольца.
При этом для всякого изотермического процесса
1.64 |
Таким образом, максимальная работа при изохорно-изотермических равновесных процессах равна убыли свободной энергии системы, т. е. W = —∆А, или в общем случае
1.65 |
Изменение свободной энергии определяется только начальным и конечным состоянием системы и не зависит от характера процесса. Величина работы может зависеть лишь от способа проведения процесса. Так, например, при необратимом процессе произведенная работа всегда будет меньше убыли свободной энергии, так как при этом часть изменения свободной энергии неизбежно превращается в теплоту.
Из определения А следует, что U = А + TS, т. е. что внутренняя энергия системы состоит из двух частей: свободной энергии при постоянном объеме и связанной энергии TS. Как видим, связанная энергия равна произведению энтропии на абсолютную температуру. Свободная энергия — это та часть внутренней энергии, которая при обратимом изотермическом процессе может быть полностью превращена в работу.
Если к условию постоянства температуры добавить условие постоянства объема, т. е. δW = pdV = 0, то
1.66 |
Следовательно, при постоянных температуре и объеме свободная энергия не изменяется при обратимых процессах, а при необратимых может только убывать. Это означает, что данная функция действительно является критерием, который позволяет судить о направлении процессов в незамкнутых системах. Очевидно, для таких систем условием равновесия является минимум свободной энергии (при постоянных V и Т).
Как видим, условия, которым должны удовлетворять процессы для того, чтобы по изменениям величины А можно было судить о направлении этих процессов, иные, чем для энтропии. Для энтропии это было условие постоянства внутренней энергии и объема (изолированная система), для изохорно-изотермического потенциала это условие постоянства объема и температуры — легко измеряемых параметров системы. Величина А, являясь производным понятием по отношению к энтропии, представляет собой практически более удобный критерий для характеристики направленности процессов, чем энтропия.
Таким образом, свободная энергия при постоянных V и Т в естественных (самопроизвольных) процессах стремится уменьшиться. Когда она достигает минимального значения (совместимого с данными V и Т), система приходит в равновесие.
В технике большинство процессов совершается не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. Поэтому кроме свободной энергии при постоянном объеме целесообразно ввести такую функцию состояния, которая служила бы критерием равновесия в условиях постоянства давления и температуры.
Если объем системы изменяется, то pdV ≤ – dA или dA + pdV ≤ 0. При постоянном давлении
1.67 |
Таким образом, новая функция состояния, называемая изобарно-изотермическим потенциалом (или потенциалом Гиббса), обозначается обычно через G и определяется уравнениями:
1.68 |
т. е. G находится в таком же отношении к функции А, как энтальпия Н к внутренней энергии U.
Для любого процесса ∆G = ∆A + ∆(рV). Отсюда следует, что для любого изобарного процесса
1.69 |
Для всякого изотермического процесса
1.70 |
Согласно уравнениям (I.68) и (I.70) можно вывести уравнение
1.71 |
где Wм— максимальная полезная работа, равная максимальной работе W за вычетом работы против внешнего давления. Для изотермического процесса при р = const
1.72 |
При обратимых процессах величина G не изменяется, а при необратимых может только убывать. Следовательно, равновесное состояние системы при постоянных давлении и температуре соответствует минимуму изобарно-изотермического потенциала.
Суммируя все выше изложенное, можно сделать вывод о том, что описание термодинамических свойств любой системы может быть выражено через термодинамические функции системы: U = f(S, V), Н = f(S, р), А = f(V, T), G = =f(p, T).
Дата добавления: 2016-02-20; просмотров: 1011;