Основные определения и положения химической термодинамики. Взаимосвязь между основными законами, страница 20

5. Вычислите константу равновесия для реакции 3С2Н2(г)6Н6(г) протекающей пристандартных условиях, принимая, что газы идеальные.  

          ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ

ТЕРМОДИНАМИКИ (краткая форма)

Рассмотрим уравнения, выражающие математическую запись первого и второго законов термодинамики в отсутствие массопереноса.

dQ = dU + dW’ + p×dV                 (первый закон)

dQ = T×dS(второй закон)

Подставляя величину T×dSвместо dQ в уравнение для первого закона термодинамики, имеем дифференциальную форму уравнения, объединяющего  оба  закона термодинамики:

TdS = dU + dW’ + p×dV                                        (2.55)

Это уравнение представляет сокращенную форму записи основного или фундаментального уравнения термодинамики. Полная форма была предложена Гиббсом. Она рассмотрена в конце этой главы. Из выражения (2.55) можно вывести уравнения для любых термодинамических функций:

Энергия Гиббса – (изобарно-изотермический потенциал, свободная энергия Гиббса[24]).  Обозначается G. Выводится при условии, что p, T = const :

dW’ = -d(U -T×S + p×V) = dG                                      (2.56)

где: U - T×S + p×V = G – энергия Гиббса. После интегрирования последнего уравнения имеем: W’ = -DG.

Физический смысл DG можно трактовать из уравнения (2.56) - это полезная работа процесса при p,T = const.  Заслуживает внимания и более конкретное определение: это часть внутренней энергии системы, которая может быть при p,T = const превращена в работу.

Для практических расчетов  определенный интерес представляет соотношение между энтальпией и энергией Гиббса. Поскольку U + p×V = H, можно записать, что:

G = H - T·S (2.57)

Энергия Гельмгольца (свободная энергия Гельмгольца, изохорно-изотермический потенциал (V,T = const)):

dW’ = -d(-T×S+U)  = -dA                                   (2.58)

Из (2.58) следует формула- определение энергии Гельмгольца A:

UT×S  = A(2.58 а)

Физический смысл энергии Гельмгольца можно определить на основе соотношения (2.58). Это полезная работа процесса при V,T = const. или это часть внутренней энергии системы, которая может быть при V,T = const превращена в работу.

Анализ основного уравнения термодинамики позволяет  показать, что и внутренняя энергия и энтальпия при определенных условиях также являются термодинамическими функциями (см. табл. 2.7).  Например, при постоянных значениях  объема и энтропии имеем:

  dW’ = -d(U)      (2.59)

При постоянных значениях энтропии и давления получаем

dW’ = -d(U + p×V)  = -dH                              (2.60)

Из (2.60) следует формула- определение энтальпии:

U + p×V = Н                                            (2.60 а)

Свойства термодинамических функций

Термодинамические функции позволяют:

·  оценивать направление процесса и условие равновесия;

·  выразить любые термодинамические уравнения (формулы) с привлечением производных;

·  связать различные, определенные экспериментально, физико-химические свойства системы с термодинамическими параметрами.

Оценки направления процесса  и условий  равновесия

Оценки самопроизвольного протекания процесса в  прямом направлении вытекают из принципа положительной работы, который был сформулирован Нернстом. В соответствии  с этим принципом  самопроизвольно протекают те процессы, при которых может быть получена положительная работа.

В предельном случае, когда работа бесконечно мала, направление процесса может быть сведено к бесконечно малому воздействию на систему. Этот случай отвечает обратимому процессу и достижению максимальной работы, которую выражают для конкретных условий через соответствующую термодинамическую функцию (см. табл. 2.7).

Таблица 2.7

Условия равновесия системы и самопроизвольного протекания процесса в прямом направлении  (система не изолирована)