余高奇博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 经典热力学也称平衡态热力学,研究系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态的准静态过程的自发性; 它是真实热力学过程发生的必要条件。

博文

换角度思考ΔG(最大功)的物理意义

已有 5235 次阅读 2022-6-14 12:00 |系统分类:教学心得

       平衡态热力学认为恒温恒压及可逆条件下,ΔG是化学反应提供的最大功,即:ΔG=δW'max.

       本文拟结合具体的热力学实例,用平衡态热力学及准静态过程假说多角度揭示ΔG的物理意义.

  1. 最大功习题解析

    例: 某化学反应,在恒温、恒压(298.15K、100kPa)下,于普通容器内完成,放热62.58kJ. 若该反应在

298.15K、100kPa的可逆电池中进行,则吸热6258J.  试计算:

     (1)该反应的ΔrSClo;

     (2)该反应在普通容器内进行时环境的熵变及隔离系统总熵变;

     (3)体系可能提供的最大功.

       析:这是一道典型的关于最大功的习题.

       需指出:化学反应于普通容器内或可逆电池中进行,系统始、末态均相同,因此化学反应所对应的所有状

态函数改变量均分别相同; 

       另恒温恒压条件下,普通容器内化学反应的热效应等于焓变,即:ΔrHm=-62.58kJ.

 2. 平衡态热力学

       依题恒温恒压及可逆条件下,

                   δW'max=dG                                    (1)

               dHQp+δW'maxQp+dG     (2)   

 2.1  封闭系统熵变(ΔrSClo)的计算

      恒温、恒压及可逆条件下,Qp=T·ΔrSClo      (3)

      将已知条件代入式(3)可得: ΔrSClo = Qp/T=6258/298.15= 20.99(J·K-1) 

 2.2 环境熵变(ΔSSur)的计算

      依热力学基本原理:ΔSSur=-Q/T=-ΔrHm/T=62.58×103/298.15=209.89(J·K-1

 2.3 隔离系统熵变(ΔSIso)的计算

      依题:ΔSIsoSCloSSur=20.99+209.89=230.88(J·K-1

 2.4 最大功的计算

       结合式(1)、(2)可知:W'maxG H-Qp=-62.58×103-6258=-68.84(kJ)

 3. 准静态过程假说

     准静态过程假说中认为热力学元熵过程[1]

      δQ≡ T·dS                        (4)

     另准静态过程的热力学基本方程:

      dH=T·dS+V·dpW         (5)

      dG=-S·dT+V·dpW        (6)

      由式(6)可知恒温恒压条件下,系统提供最大功即为dG .   

       即:dG=δW        (7)

       将式(7)代入式(5)并结合式(4)可得,恒温恒压条件下,

       dH=T·dS+dG = δQ +dG      (8)

       另:对于恒温恒压条件下的可逆过程,δW'=dG=0   (9)

 3.1 封闭系统熵变(ΔrSClo)的计算

       由式(4)可得:ΔrSClo = Qp/T=6258/298.15= 20.99(J·K-1

 3.2 环境熵变(ΔSSur)的计算

      依准静态过程热力学原理[2], 恒温恒压条件下:

      ΔSSur=(-Qp-W')/T=(-Qp-ΔG)/T            (10)

      将式(8)代入式(10),并代入相关已知数据可得:

       ΔSSur=-ΔrHm/T=62.58×103/298.15=209.89(J·K-1

 3.3 隔离系统熵变(ΔSIso)的计算

      依题:ΔSIsoSCloSSur=20.99+209.89=230.88(J·K-1

 3.4 最大功的计算

       结合式(7)、(8)可知:W'maxH-Qp=-62.58×103-6258=-68.84(kJ)

 4. 结论

    ⑴平衡态热力学认为:恒温恒压及可逆条件下,ΔG为有效功,也称最大功; 恒温恒压不可逆过程,ΔG存在,数值与恒温恒压可逆过程相等,但物理意义不明确.

    ⑵准静态过程假说认为,恒温恒压条件下,ΔG恒为有效功,与过程是否可逆无关.

    ⑶平衡态热力学与准静态过程假说计算所得封闭系统、封闭系统环境及隔离系统熵变数值分别相等.

参考文献

[1]余高奇. 热力学第一定律研究. http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666. 科学网博客, 2021,8.

[2]余高奇. 热力学第二定律研究. http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666. 科学网博客, 2021,8.





https://m.sciencenet.cn/blog-3474471-1342944.html

上一篇:多组分系统热力学的典型习题剖析
下一篇:原电池热力学中电动势温度系数的科学性探究

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 19:52

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部