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。

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关于准静态过程假说若干重要问题的阐述

已有 1963 次阅读 2023-1-10 07:31 |系统分类:教学心得

        整理了关于准静态过程假说若干重要问题的阐述,供参考.

  1. 什么是准静态过程?准静态过程实现有条件要求吗?

     准静态过程是指过程任意瞬间,系统均无限小的偏离平衡,并随时可恢复平衡;客观要求准静态过程必

须无限缓慢,数学上连续,无间断,可积可微.

       准静态过程与环境及各式推动力无关,准静态过程是真实热力学过程实现的一种理想化方式,客观不存

在. 准静态过程实现不需要条件, 准静态过程假说规定所有的热力学过程均为准静态过程.

 2. 什么是元熵过程?什么是复熵过程?

       按照熵变计算方法的不同,将准静态过程划分为元熵过程及复熵过程两大类.

       元熵过程:dSQ/T                     (1)

       元熵过程包括:(1)理想气体的恒温、恒压、恒容或绝热过程;(2)恒温恒压及环境不提供有效功前提

下发生的化学反应(或相变);(3)恒温恒容及环境不提供有效功前提下发生的化学反应(或相变)等.

       因元熵过程最接近于功、热本质,热力学通常优先研究元熵过程.

       复熵过程:image.png  (2)

       复熵过程包括:(1)理想气体由(p1,V1,T1)变化至(p2,V2,T2);(2)25℃的水与大量0℃的冰,恒压条件

下混合等 .

        复熵过程由若干个元熵过程构成.

3. 什么是范特霍夫平衡箱?范特霍夫平衡箱与准静态过程的实现有关系吗?

         范特霍夫平衡箱,也称平衡态热力学化学反应(或相变)反应器,参见如下图1:

image.png

       范特霍夫平衡箱内温度及压强均保持恒定,反应物D、E,及生成物F、G均大量存在,并处于平衡; 从加料口1、2分别加入d摩尔的D及e摩尔的E,从出料口3、4分别导出f摩尔的F及g摩尔的G;由于系统物料大量存在,从加料口加入少量的反应物,后从出料口导出少量的生成物,范特霍夫平衡箱不受影响,其温度、压强及组成保持不变. 此时对于化学反应dD+eE=fF+gG, 相当于在恒温恒压及组成不变的条件下,完成了ξ=1mol的标准热力学反应.

       范特霍夫平衡箱是一种理想化热力学反应器,实际并不存在;范特霍夫平衡箱与准静态过程的实现不相干.

4. 热力学过程自发性判据有哪些?相互之间存在什么关联?

      现阶段热力学过程自发性判据主要包括熵增原理,G判据及A判据. 三个判据中,熵增原理是出发点;G判据

A判据,均可由熵增原理导出.[1]

      熵增原理:隔离系统的熵变不减小,即:dSIso≥0.

      G判据:在恒温、恒压及环境不提供有效功的前提下,封闭系统的吉布斯能变不增大,即:dGClo≤0.

      A判据:在恒温、恒容及环境不提供有效功的前提下,封闭系统的亥姆霍兹能变不增大,即:dAClo≤0.

5. 什么是可逆过程?可逆过程与平衡是一回事吗?

      过程A→B,如果相同条件下存在过程B→A,当两个过程连续完成后,系统与环境均复原(W=0,Q=0),则

称初始过程A→B为可逆过程. 依据热力学原理及可逆过程的定义可得:可逆过程只能是状态点.

      另可逆过程的判据是:(1)dSIso=0;(2)恒温、恒压及环境不提供有效功的前提下,dGClo=0;及(3)恒温、

恒容及环境不提供有效功的前提下,dAClo=0. 依据可逆过程的三个热力学判据可得:可逆过程就是平衡,平衡

就是可逆过程,可逆过程平衡均为状态点.

6. 什么是有效功?为什么热力学过程进行时,系统自身可以产生有效功?

       有效功是热力学能变的组成部分;当元熵过程发生时,热力学能变由热量(Q)、体势变(WV)及有效功

W')三部分构成,参见如下式(3)、(4)及(5),

       δQ=T·dS                          (3)

       δWV=-p·dV                     (4)

       dU=T·dS -p·dVW'       (5)

       将H=U+pVG=H-TSA=G-pV分别代入式(5)可得:

       dH=T·dS +V·dpW'        (6)

       dG=-S·dT +V·dpW'       (7)

       dA=-S·dT -p·dVW'        (8)

      式(5)、(6)、(7)及(8)合称热力学基本方程;不同条件下,有效功的表现形式不同;由式(7)

可知:恒温恒压及环境不提供有效功前提下,δW'=dG,表明有效功普遍存在于化学反应或相变之中.

7.什么是体势变?体势变与体积功有什么关系?

      体势变是系统状态改变时,系统与环境之间传递的一种用来改变系统空间势能的能量形式,参见式(4).

      体积功也是系统状态改变时,系统与环境之间传递的一种用来改变系统空间势能的能量形式,记为:

       δWT=-pe·dV                     (9)

      式(9)中pe代表外压(或环境大气压强).

      准静态过程假说认为系统状态改变时,体势变与体积功通常同时存在,体势变除补偿体积功之外,剩余能量

[-(p-pe)·dV],将用于改变环境的熵变.

参考文献

[1]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-3474471-1371322.html

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