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整理了关于准静态过程假说若干重要问题的阐述,供参考.
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:dS=δQ/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: (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:
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
及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,可逆过程与平衡均为状态点.
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·dV+δW' (5)
将H=U+pV,G=H-TS及A=G-pV分别代入式(5)可得:
dH=T·dS +V·dp+δW' (6)
dG=-S·dT +V·dp+δW' (7)
dA=-S·dT -p·dV+δW' (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.
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