Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Физико-химическая термодинамика вещества

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
5.4 Mб
Скачать

энергии от уровня G*(T) через (If) и (G*) (см.рис. 3.1 и 3.2). Тогда величи­ ны d(U)w d(G) по аналогии с уравнениями (2.18) и (2.29) связаны между собой уравнениями

d (U )= P d E ,

(3 .14)

-d(G ) = EdP *

(3.15)

где Е - барический коэффициент свободной энергии вещества. Уравнение (3.14) является уравнением второго закона термодинамики

для процесса увеличения внутренней энергии вещества при его изотерми­ ческом сжатии.

Из уравнения (3.15) для чистого вещества получим:

(3 .16)

Отсюда следует, что коэффициент Е* в уравнении (3.16) играет ту же роль, что и энтропия 5* в изобарическом процессе увеличения внутренней энергии вещества при повышении температуры, то-есть количественно свя­ зывает между собой величины (If) и (G*) с помощью уравнения:

( U ') - (G ') = РЕ'

(3 .17)

которое аналогично известному уравнению при постоянном давлении:

U ' - G ' = TS'

(2 .16)

Уравнение (3.17) поясняет приведённая на рис. 3.2 схема. Интегрирование уравнения (3.16) рассматривается в главе 5.

3.5. ЗА ВИ С И М О С ТЬ БАРИ Ч ЕСК О ГО К О Э Ф Ф И Ц И ЕН ТА СВО БО ДН О Й ЭН ЕРГИ И О Т Д А В Л ЕН И Я

С помощью определительного уравнения для барического коэффициен­ та внутренней энергии вещества:

dU'

D =

(3 .18)

дР

 

с учётом уравнения (3.14) получаем равенство

 

PdE* = D'dP,

(3 .19)

из которого следует искомое уравнение

 

(3.20)

Так как величина Z)* положительна, то с ростом давления барический коэффициент свободной энергии увеличивается.

3.6. ТРЕТИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Имеющийся на сегодня экспериментальный материал о поведении ве­ щества вблизи абсолютного нуля температур говорит о следующем:

-при одновременном понижении температуры и давления до технически возможных значений любое вещество теряет способность отдавать энер­ гию. Поэтому сформулированный ранее третий закон термодинамики:

dUT.,. = 0

(3.21)

в действительности относится и к давлению, и его можно записать в обоб­ щённом виде следующим образом:

dUQ=dUT^ Q=0.

(3.22)

При температуре выше температуры абсолютного нуля при малых давле­ ниях внутренняя энергия вещества также не зависит от давления:

d(U )r_,о./,.,0 = 0

(3.23)

Уравнение (3.23) является уравнением третьего закона термодинамики при постоянной температуре.

Это означает, что прирост внутренней энергии (£/) вещества и уменьше­ ние его свободной энергии (G) за счёт давления при постоянной темпера­ туре и малых давлениях равны нулю:

( U ) ^ 0.,,m„ „ = (G )^ 0,,„„„,= 0.

(3.24)

Отсюда следует:

 

 

(3.25)

= 0 .

(3.26)

Уравнения (3.24), (3.25) и (3.26) иллюстрирует рис. 3.2.

Из уравнения (3.22) следует, что при Т -> 0 и Р -» 0 внутренняя энергия любого вещества, раствора или смеси веществ принимает постоянное зна­ чение:

50 Законы изменения внутренней и свободной энергии вещества

(3.27)

которое нам неизвестно.

Таким образом, при определении изменения внутренней энергии за счёт повышения температуры и давления величина UQявляется общей точкой отсчёта энергии вещества. Независимость третьего закона термодинамики от абсолютного уровня энергии данного вещества (например, для веще­ ства в стеклообразном и кристаллическом состоянии) позволяет принять, что уравнение (3.22) справедливо и для любого давления:

dVT_ ^ = 0.

(3.28)

При этом абсолютное значение внутренней энергии вещества при Г —» 0 и достаточно высоких давлениях будет выше, чем при Р —» 0.

Глава 4

ЗАВИСИМОСТЬ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ, ЭНТРОПИИ И СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ ВЕЩЕСТВА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

4.1.ЗАВИСИМ ОСТЬ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ВЕЩЕСТВА

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

При выводе уравнения зависимости внутренней энергии вещества от температуры используем первый закон термодинамики:

dU = d q - d w .

(2.1)

С помощью выражений для dU,dq и dw, которые в общем случае можно

записать:

 

dU = Cud T ,

(4.1)

dq = CpdT,

(4.2)

dw = PdV ,

(4.3)

или

 

dw = a PVdT ,

(4.4)

находим следующие уравнения для чистого вещества:

 

С’ = Ср -а Р У ,

(4.5)

dU* = (С*р - aPV)dT

(4.6)

В приведённых уравнениях С'и - энергоёмкость вещества, С* - теплоём­ кость, а - коэффициент объёмного расширения, V- молярный объём веще­ ства, Р - давление.

Опытным путём определены лишь величины С*, характеризующие толь­ ко теплоту dq, которую необходимо подвести к веществу, чтобы повысить его внутреннюю энергию на величину dU\ Поэтому сравним величины аРУ для различных веществ при различных давлениях с величиной С*. Данные такого сравнения для расплавов некоторых веществ приведены в таблице 4.1.

При давлении 100 бар величина аРУ не превышает 0.65% от величины С*р . При понижении давления до 10 бар величина аРУ уменьшается и не превышает 0.07% от величины С*. Сказанное означает, что при давлениях

до 10 бар с большой точностью можно принять равенство:

 

с'и = с ;.

(4.7)

Равенство (4.7) означает, что при указанных выше условиях можно внут­ реннюю энергию вещества LT принять равной энтальпии /Г, приводимой в справочниках по термодинамическим свойствам веществ:

Т аблица 4.1. Значения произведения a PV в уравнении (4.5) для некото­ рых расплавов при различных давлениях.

Материал

/, °С

С*,,

оЯТДж/(моль-К) при Р, кбар

(расплав)

 

Дж/(моль-К)

0,1

1

10

Р>3*

Ga

150

25,5

0,013

0,13

-

0,33(2,5)

н2о

25

75,3

0,46

0,65

6,49

-

L iN 03

600

111,3

0,149

1,48

8,49

20,9(25)

N aN 03

600

155,3

0,134

1,25

10,50 30(30)

K N 03

600

123,4

0,260

2,35

10,98 20(25)

RbNO,

600

-

0,300

2,75

15,96 -

HgBr2

450

102,1

0,579

5,20

-

20(5)

HgCl,

450

102,1

0,509

4,59

-

19(5)

HgJ2

450

102,1

0,670

5,20

-

11,4(4)

BiCl3

300

143,5

0,365 2,48

-

6(3)

*В скобках указаны давления в кбар.

 

 

 

 

£/* = Я ‘

 

 

 

 

 

(4 .8)

Равенство (4.8) мы будем использовать в дальнейшем при нормальном дав­ лении.

Отметим, что при давлениях выше 100 бар величина CLPV становится заметной по сравнению с величиной С*. Так для K N 03 при 600 °С величи­ на осPV составляет при давлениях 100, 1000 и 10000 бар 0.2, 1.9 и 8.9%, а при 25000 бар увеличивается до 16.2% от величины С*,. Поэтому при высо­ ких давлениях для определения внутренней энергии вещества необходимо пользоваться уравнением:

dU* - C[,dT

(4 .1а)

вкотором энергоёмкость вещества С’и определяется уравнением (4.5). При нормальном давлении уравнение (4.6) упрощается:

dU* = C'pdT

(4 .9)

После интегрирования этого уравнения в температурном интервале от 0К до некоторой температуры Г, которая не должна превышать температуру первого фазового перехода, имеем для чистого вещества:

U ] -U l= \c ],d T

(4 .10)

о

 

Так как изменение внутренней энергии отсчитывается от неизвестной величины (/’, то удобно приравнять её нулю, а величину U* = £/’ называть

внутренней энергией веще­ ства. Из сказанного следует для давлений до 10 бар:

U :\С ]4Т

(4.11)

Для того, чтобы определить внутреннюю энергию веще­ ства при температуре выше первого фазового перехода первого рода, необходимо к уравнению (4.11) прибавить энергию фазового перехода U,/,„ и записать его следую­ щим образом:

и '= \c],dT+U'lu,

О

'/

(4.12)

 

+J С',с/Т

 

Во втором интеграле величины

 

С* относятся к температурам

 

выше температуры первого

Рис. 4.1 Изменения внутренней (кривая 1)

фазового перехода Г,. Энергия

других фазовых переходов

и свободной (кривая 2) энергий никеля в

интервале температур 0-2300К.

учитывается по аналогии.

 

На рис. 4.1 приведена кри­

 

вая зависимости внутренней энергии никеля в интервале температур от ОК до 2400К с учётом того, что никель при температуре 1726К плавится и энер­ гия плавления составляет 17.62 кДж/моль. Данные рис. 4.1 нормированы к £/„’= 0 и G0*= 0 (нормирование величин U* и G* см. в параграфе 4.4).

4.2. ЗАВИ СИ М О СТЬ ЭНТРОПИИ ВЕЩЕСТВА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

При выводе уравнения зависимости энтропии вещества от температуры используются первый, второй и третий законы термодинамики. С помо­ щью первого и второго законов термодинамики (см. уравнения (4.6) и (2.18)) получим уравнение:

120л

400 000 1200 1600 2000 2400

Температура, К

Рис. 4.2. Зависимость энтропии никеля от температуры.

= - { C ; - a P V ) , (4.13)

которое при нормальном давле­ нии для чистого вещества мож­ но записать:

(4.14)

Интегрируя данное уравнение в пределах температур от ОК до некоторой температуры Г, не превы ш аю щ ей тем пературу первого фазового перехода, на­ ходим:

(4 .15)

Согласно третьему закону термодинамики, энтропия любого вещества при ОК равна нулю, и поэтому

С учётом энтропии первого фазового перехода Si/>n = и фв /Г, получим сле­ дующее уравнение для расчёта энтропии вещества выше температуры пер­ вого фазового перехода:

(4.16)

Другие фазовые переходы учитываются по аналогии.

На рис. 4.2 приведена кривая зависимости энтропии никеля в интервале температур от ОК до 2400К с учётом, что энтропия плавления никеля при температуре 1726К составляет 10.21Дж-моль'|-К'1.

4.3. ЗА ВИ С И М О С Т Ь СВО БО ДН О Й Э Н ЕРГИ И В Е Щ Е С ТВ А ОТ ТЕМ ПЕРАТУРЫ

Для расчёта кривой зависимости свободной энергии вещества от темпе­ ратуры удобнее всего пользоваться уравнением

G * = £ /‘ -75*

(4.17)

с известными значениями I f

и S* Данное уравнение справедливо также

для фазовых переходов. Отсюда следует, что свободная энергия фазовых переходов для чистых веществ равна нулю:

с ; , = 0

(4.18)

Рассчитанная с помощью уравнения (4.17) с учётом уравнения (4.18) сво­ бодная энергия никеля в интервале температур от ОК до 2300К приведена на рис. 4.1. В точке плавления никеля при 1726К увеличивается наклон кри­ вой G\T), что связано с энтропией плавления.

4.4.НОРМ ИРОВАНИЕ ТЕРМ ОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ВЕЩ ЕСТВ В СПРАВОЧНИКАХ

В современных справочниках приняты следующие правила нормирова­ ния термодинамических свойств элементов и соединений при Р°= 1 бар:

-внутренняя энергия стабильных элементов при 298К принимается рав­ ной нулю:

G°(298K) = fl°(298K) = 0;

-энтропия элементов и соединений при ОК принимается равной нулю: 5° (ОК) = О,

ипоэтому 5° (298К) > 0;

-свободная энергия элементов при 298К рассчитывается по уравнению: G°(298K) = - 298-5°(298К),

так как СД298К) = 0;

внутренняя энергия соединений при 298К равна стандартной энергии ArU° образования данного соединения из элементов:

'G°(298K, соед.) = AfG°;

-свободная энергия соединений при 298К рассчитывается по уравнению: G°(298K, соед.) = G°(298K, соед.) - 298-5° (298К, соед.).

Приведённая система нормирования термодинамических свойств элемен­ тов и соединений оказалась удобной для термохимических расчётов хими­ ческих превращений и подробно описана в справочнике [23].

При термодинамическом анализе физических процессов, например, об­ разования раствора (расплава) из элементов или соединений (см. главу 7) необходимо знать внутреннюю и свободную энергию элементов и соеди­ нений, отсчитанных от абсолютного нуля температур. В этом случае при­ нимается единое нормирование термодинамических свойств индивидуаль­ ных веществ:

G°(0K) = 0,

G°(0K) = 0, 5°(0К) = 0.

Данная система нормирования отличается от описанной выше тем, что не только энтропия, но и внутренняя и свободная энергии индивидуальных веществ при абсолютном нуле температур равны нулю.

Расчёт величин 1/(7)’ и G°(7y для элементов в данной системе с помо­ щью величин U°(T) и G°(7), приведённых в справочниках, осуществляется по формулам:

U°(7)' = U°(T) + G°(298K)\

G°(Ty = G°(T) + G°(298K)’

Значения внутренней энергии элементов L/"(298K)’ при 298К приведены в ряде справочников [22,24,27]. Например, для Ni величина G°(298K)’= 4790 Джмоль*1. По данным [23] для никеля G°(298K) = 0, G°(298K) = -8906 Джмоль*1 находим:

*Д298К)’ = 0 + 4790 Джмоль*1,

G°(298K)’ = -8906 + 4790 = -4116 Дж м оль1.

При 1000К для Ni согласно [23] имеем: G°(1000K) = 21811 и G°(1000K) = - 45022 Дж-моль*1. Отсюда получим:

G°(1000K)’ = 21811 + 4790 = 26601 Дж-моль*1,

G°(298K)’ = -45022 + 4790 = -40232 Дж моль*1.

Величины G°(298K)’ для соединений в справочниках по термодинамичес­ ким свойствам индивидуальных веществ не приводятся и поэтому их нуж­ но рассчитать по уравнению (4.11). Далее с помощью справочных данных рассчитать значения Ц°(Т)' и G°(T)’ по уравнениям:

Ц°(Ту = U°(T) + и \ 298К) + Gfl(298K)\ G°(T)' = G°(T) - G°(298K) + Gft(298K)’,

в которых U°(T), U°(298) и G°(7) - справочные данные, относящиеся к выб­ ранной температуре Т и 298К.

Соседние файлы в папке книги