Funcțiile termodinamice (potențiale termodinamice) sunt o funcție caracteristică în termodinamică. a căror pierdere în procesele de echilibru care continuă cu constanța valorilor parametrilor independenți corespunzători este egală cu munca externă utilă.
Termenul a fost introdus de Pierre Duhem, Gibbs a folosit termenul "funcții fundamentale" în lucrările sale.
Se disting următoarele potențiale termodinamice:
- energia internă
- entropie
- enthalpy
- Energia liberă Helmholtz
- Potențialul Gibbs
- potențial termodinamic ridicat
Energia internă
Atunci când sistemul este aplicat la o cantitate de căldură dQ, datorită acestei căldură, așa cum sa arătat anterior în ciclul Carnot Exemplul poate fi executat doar o anumită muncă dW, astfel încât o parte a sistemului obținut pierde energie termică. Aceste două cantități, în general, nu sunt aceleași și, prin urmare, sistemul pierde sau dobândește o energie egală cu diferența dintre ele. Să presupunem că această diferență de energie rămâne în sistem sub forma unui așa-zis. energia internă E. Atunci acesta din urmă va crește de la E la (E + dE) și
unde dQ și dW sunt creșteri infinitezimale.
În general, creșterile dQ și dW nu sunt independente (de ce acestea sunt notate aici prin simbolul d, spre deosebire de incrementul dE). Astfel, absorbția căldurii este de obicei însoțită de o schimbare a volumului și, prin urmare, de performanța muncii împotriva presiunii externe. Dimpotrivă, dacă expansiunea este permisă, este de obicei însoțită de absorbția căldurii preluate din mediul înconjurător. Orice restricții impuse de realitate asupra sistemului, nu se poate exclude complet o astfel de interacțiune, dar mental vă puteți imagina izolarea termică perfectă (dq = 0) sau să respecte strict termenii de volum constant (dW = 0), precum și în mecanică teoretică a introdus conceptul perfect netedă și ideal corpuri solide. Numai în condiții ideale, când dQ și dW sunt independente unul de altul, incrementul dQ sau dW poate fi privit ca un diferențial total, în timp ce diferența lor dE este întotdeauna astfel.
dQ energie termică „care nu pot fi convertite în muncă, este proporțională cu temperatura T mai mic, astfel încât să putem scrie dQ“ = tds, unde dS - increment entropia sistemului S. Ca și E, valoarea lui S este o caracteristică a sistemului în sine și, prin urmare, indicăm creșterea acestuia cu litera d, și nu cu d.
Denotând prin dW lucrarea care poate fi obținută din cauza căldurii dQ, putem scrie
În cazul în care organismul funcționează ca rezultat al unui proces termodinamic nu revine la starea inițială, o mare parte din energia pare a fi inutil în ceea ce privește efectuarea lucrărilor, iar energia internă a crescut cu diferența corespunzătoare dE. Creșterea energiei interne se poate manifesta într-o schimbare a stării fizice a fluidului de lucru, de exemplu, o schimbare de la solid în stare lichidă (topire) sau de la lichid la gaz (evaporare). O astfel de energie termică se numește căldura de fuziune, respectiv căldura de vaporizare. O creștere a energiei interne poate fi, de asemenea, asociată cu schimbări chimice (disociere, întrerupere a legăturilor) și chiar și cu fisiune de nuclee.
Dacă schimbările în energia sistemului apar la presiune constantă, atunci, așa cum se dovedește, funcția
permite să se ofere o formă mai simplă și mai elegantă ecuațiilor care descriu diferite procese. Faptul este că, cu o mică schimbare în starea sistemului, se poate scrie
Prin urmare, dacă procesul se desfășoară la o presiune constantă (dP = 0), atunci egalitatea
Energie liberă
În condiții izotermice (dT = 0) mai mult decât H, este convenabilă o altă funcție termodinamică:
Aceleași calcule ca în cazul entalpiei. da dF = dW. Anterior, cantitatea F a fost numită energia liberă Helmholtz, deoarece Helmholtz a arătat pentru prima dată semnificația sa, dar acum se numește simplu energie liberă.
Potențialul Gibbs
În cazurile în care temperatura și presiunea pot varia. Se folosește o funcție mai generală
Această caracteristică este uneori menționată energie ca întregul potențial sau utile termodinamic, dar acum se numește potențial sau Gibbs energia Gibbs și notat simbolul G numit Dzh.Gibbsa (1839-1903). Așa cum se va arăta mai jos, funcțiile termodinamice prezentate fac posibilă determinarea condițiilor necesare pentru echilibru.
În cazul creșterii presiunii printr-o mică valoare a dP într-un sistem menținut la o temperatură constantă (dT = 0), potențialul Gibbs va crește cu dG și rata de creștere a acestuia, sau <чувствительность> potențialul Gibbs G la schimbările de presiune este dat de expresia termodinamică a volumului sistemului
unde simbolul derivat parțial indică faptul că schimbarea are loc la valori constante ale tuturor celorlalți parametri (în acest caz temperatura T).
În exact același fel, sensibilitatea potențialului Gibbs la schimbările de temperatură (la presiune constantă) este o măsură a entropiei sistemului:
iar această egalitate poate fi considerată o altă definiție a entropiei.
Relațiile dintre funcțiile termodinamice
Cantitățile E, H, F și G au dimensiunea energetică, iar oricare dintre ele poate fi exprimată prin a patra. Dacă dW = PdV, atunci, este posibil să exprimăm H, F și E în termeni de G:
Dacă considerăm că funcția este doar G, atunci de la variabilele independente va fi suficient să se ia în considerare doar P și T, care este aproape întotdeauna cea mai convenabilă. Cu toate acestea, dacă alegeți E ca singura funcție, variabilele independente V și T sau V și S sunt cele mai convenabile din punct de vedere matematic, dar acestea din urmă nu sunt foarte convenabile pentru măsurătorile directe.
Relații Maxwell
Diferențiând ecuațiile care leagă funcțiile termodinamice între ele și implicând alte legi fundamentale, se pot obține unele relații importante între astfel de funcții.
Ecuațiile clarifica mai bine semnificația fizică a funcției E, H, F și G din cauza lor mai frecvente variabile V, T și P. Ecuația (26), așa cum sa menționat deja, prevede o altă interpretare a entropiei S folosind o funcție sau F G.
J. Maxwell (1831-1879) a derivat următoarele relații importante între variabilele V, T, P și S:
Aici a este coeficientul de expansiune termică. se referă la volumul unității la presiune constantă, adică (1 / V) (V / T) P. și K este compresibilitatea izotermică - (1 / V) (V / P) T.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: