Előadás 3. termodinamika második törvénye
előadás 3
A termodinamika második törvénye. Az entrópia.
Az entrópia tulajdonságait. Entrópia - kritérium irányba spontán folyamat egy elszigetelt rendszerben.
Kiszámítása entrópia változás a fázisátalakulás. fűtés (hűtés), alatt kémiai reakció.
Termodinamikai potenciálok és az irányt a spontán folyamat.
1. A termodinamika második törvénye. entrópia
A termodinamika első főtétele lehetővé teszi, hogy kiszámítja a hőhatás a különböző folyamatok és a munkát, amelyet a rendszer, de nem szól a spontán folyamat áramlás irányát.
A termodinamika második törvénye lehetőségét állapítja meg az irányt, és korlátozza az áramlás a spontán folyamatokat. Ezt fel lehet használni, hogy megjósolni a folyamat irányát, anélkül, hogy egy további kísérletet, és hogy meghatározza a szükséges változást lehetővé tevő feltételek elvégezni a folyamatot a kívánt irányba.
Miért olyan sok exoterm reakciók kíséretében hőfejlődés, nem lehet spontán? És miért fordul elő endoterm folyamatok, mint a párolgás? Miért nem tudok építeni egy hőerőgép, a hatékonyság, ami egyenlő lenne 1? Ezeket a kérdéseket válaszol II főtétele.
De mielőtt a tény II főtétele, szükséges, hogy jellemezze a spontán folyamatokat.
Eljárások és spontán nonspontaneous,
reverzibilis és irreverzibilis
Minden a folyamatokat, amelyek a természetben előfordulnak, szétválaszthatok spontán és nonspontaneous.
Spontán vagy pozitív. az a folyamat, hogy zajlik a rendszer beavatkozása nélkül a környezetbe. Például, hő az átmenet a meleg a hideg, olvadó jég a t> 0? C.
Tulajdonságok spontán folyamatok
1) A sebesség és a hajtóerő spontán folyamatok mérhető (elég nagy).
2) Spontán folyamatok hogy a rendszer egyensúlyi állapotba, amelyből nem tud magától jön ki.
3) Spontán folyamatok termodinamikailag irreverzibilis, azaz után áramló rendszer és a környezet ugyanakkor nem lehet vissza az eredeti állapotába: a rendszer visszatér az előző állapotba, ezzel a munka, de nem lesz változás a környezetben (például megváltoztatja az energia testet körülvevő).
4) Amikor a spontán áramlás a folyamat elvégzett munka AN / O (munka visszafordíthatatlan folyamat).
Ha a végrehajtási folyamat, a rendszer visszatér az eredeti állapot, nem hagy látható a környezet változásaira, hogy egy ilyen folyamat termodinamikailag visszafordítható. A termodinamikai reverzibilitás fogalom nem esik egybe az érték a kifejezés a kémiai kinetika. Tekinthető reverzibilis kinetika reakciót, a kapott sebesség, amely az különbség határozza meg az áramlási sebesség annak előre és vissza irányban, ahol a nagysága ezt a különbséget nem kiszabott korlátozásokat.
A termodinamikai reverzibilitás megköveteli, hogy a reakciót olyan körülmények között végezzük végtelenül közel egyensúlyi amikor az arány a direkt és inverz folyamatok különböznek infinitezimális összeget.
Tulajdonságok reverzibilis folyamatok
1) Váltvaforgató folyamatok mennek infinitezimális sebességgel végtelen számú lépésben, a hajtóereje a parányi.
2) Ha áramló reverzibilis folyamat végre a lehető legnagyobb munka:
A természet és a technológia fordul elő csak visszafordíthatatlan folyamatokat. De minden valóságos folyamat végezhető hasonló körülmények között egy reverzibilis folyamat. Összehasonlítva a tényleges folyamat megfordítható, lehetőség van arra, hogy megjelöljük a módját, hogy a hatékonyság növelése.
A legjobb modell egy reverzibilis folyamat lehet végtelenül lassan játszódik folyamatot.
1) A munka reverzibilisen fellépő legnagyobb folyamatok, a munka mindig kevesebb, mint a tényleges folyamatok
2) A magasabb fokú visszafordíthatatlanságáról a folyamat, annál kevesebb munka a rendszer.
Ha főtétele alkalmazható bármely termodinamikai folyamatokat egyaránt, hogy van egy másik törvény II kifejezést, amikor az a reverzibilis és irreverzibilis folyamatok.
A megfogalmazás és a matematikai kifejezés
II főtétele
A termodinamika második törvénye, valamint az első, tapasztalati. Ő nincs elméleti bizonyítás és összefoglalja a tapasztalati tények vonatkozó kölcsönös transzfer folyamatokat hő és a munka. Ez több készítmények (posztulátumai), amelyek egyenértékűek a, és kövesse egymást.
A posztulátum Clausius. hő önmagában nem mozog egy kevésbé fűtött, hogy egy fűtött testet, míg a fordított átalakulás spontán módon megy végbe.
Posztulátum Thomson. bármilyen kombinációja folyamatok vezethetnek az átalakítás a hő a munka csak, mivel az átalakítás a hő munka lehet az egyetlen folyamat eredménye.
Postulate Ostwald. lehetetlen, hogy építsenek egy örökmozgó, a második fajta, azaz motor, ami csak akkor működik által termelt hőt vonjon nélkül a környezetbe a hűtőborda része hőátadás.
Szerint a termodinamika második törvénye, akár egy reverzibilis folyamat (amelyben a maximális munka folyik) munkájában mehet csak egy része a folyamat hő, a másik részt a hő formájában át a melegebb a hidegebb részein a rendszer, azaz, Hatékonyság mindig kevesebb, mint egységet. Ezt a jelenséget nevezzük szórási (disszipáció) energiát.
Hő- és egyenlő értékű munka. Abban az esetben, konverziós hővé művelet történik konvertáló koherens, irányított mozgása rendszer mikrorészecskék egy rendezetlen, kaotikus mozgás. Ha van az átalakulás hő munka, kaotikus mozgás kell menni felé. Természetesen a előfordulásuk sorrendjében a betegség sokkal nehezebb.
Példa: Ha a ütő kalapács az üllőn, lehetséges, hogy érzékeli, hogy hevített, azaz mechanikai munka hővé alakul. A fordított folyamat csak elképzelni: a kalapács lehet fűteni, hogy a fehér meleg, de a folytatásban az üllő, nem fog.
Következtetés: szükség van egy funkció a rendszer állapotát jellemzi diffúz energia érhető el, hogy munkát.
Ez a funkció került bevezetésre Clausius 1865-ben nevezték entropieyS.
Entropy - egy állami funkció, amely egyenlő a változás a csökkentett hő, az üzenet rendszer egy reverzibilis folyamat:
Kifejezések (1) matematikai zapisyuIIzakona termodinamika reverzibilis folyamatok.
Általában a főtétele rögzített II
A jel „=” kifejezés reverzibilis folyamatok, „>” - irreverzibilis.
Meg kell jegyezni, hogy az ugyanaz, mint a változás entrópia reverzibilis és irreverzibilis folyamatok. de a második esetben, ha több energiát értékcsökkenés, azaz az energia átvitelét az állam nem képes előállítani munkát.
Az entrópia tulajdonságait. Entropy - irányba kritérium
spontán folyamat egy elszigetelt rendszerben
1. Az entrópia - a funkció a rendszer állapotát. azaz S variációs függ az entrópia kezdeti és végső állapotát a rendszer.
2. entrópia jellemzi a valószínűsége, hogy a rendszer. Minél több entrópia, annál több módon, hogy végre a rendszer. Például, az entrópia növekszik a bomlás a méhen belüli eszköz molekulák elkülönített fragmenseket való átmenet során a szilárd és folyékony állapotban állandó hőmérsékleten melegítésével az anyag (mivel fokozott hővezető a molekulák mozgása növekszik, és rendellenesség). Mennyiségileg, ez a kapcsolat van kifejezve a Boltzmann képletű
W- ahol termodinamikai valószínűsége; k - a Boltzmann állandó, k = 1,3810 -23 J / K.
Termodinamikai veroyatnostW - a száma mikroállapotok a rendszer, amellyel ez megvalósul macrostate. jellemzett macrostate rendszer állapotára vonatkozó paraméterek (p. V. T. Chem. készítmény). De termodinamikai rendszer a nagyszámú mikrorészecskék egy bizonyos energia, sebesség, irány a mozgás, mint a folyamatos kaotikus mozgás. Egyensúlyi macrostate nem változik, azaz, macroproperties (p. V. T. Chem. készítmény) állandó marad, és a mikrosvoystva (helyzete a részecske térfogatának a rendszer, az energia, a sebessége) folyamatosan változtatjuk. A megfigyelt makroszkopikus állapotban végzi a különböző mikroállamok, amelyek száma jellemzi a termodinamikai valószínűsége. Ellentétben a matematikai valószínűsége egyenlő a száma közötti arány kedvező események az összes lehetséges esemény, és ezért mindig kisebb, mint az egység, a termodinamikai valószínűség lehet nagyon nagy érték.
3.Entropiya - irányba kritérium spontán folyamat egy elszigetelt rendszerben.
Az izolált aktív rendszerek hőszolgáltató kívülről (Q = 0), azonban, a törvény szerint a termodinamika II (2) egy elszigetelt rendszer, entrópia akár állandó marad egyensúlyi, vagy növeli a visszafordíthatatlan (spontán) a folyamat során. entrópia növekedés addig folytatódik, amíg az egyensúlyi állapotot, és a maximum entrópia értéke Smax (ábra).
fűtés (hűtés), alatt kémiai reakció
Tényleges (irreverzibilis) folyamatok II főtétele rögzítik azt az elképzelést, az egyenlőtlenség, ami bonyolítja számítás az entrópia változás S amikor folyik. De entrópia - függvényében a rendszer állapotáról, és ennek változása nem függ az utat a folyamatot. Ezért S számítás során az áramlás a különböző folyamatok használni egyenlet II jog reverzibilis folyamatok:
A változás entrópia során fázisátalakulás
Fázis transzformáció (átmeneti fázis) - ez a folyamat van társítva a változás a halmazállapot az anyag.
A jellemző ezek a folyamatok az, hogy előfordulnak állandó hőmérsékleten - hőmérséklet fázisátalakulási Tf.p. .
Ezután szerint a II főtétele
ahol Qf.p. - termikus hatása fázisátalakulás.
Ha p = const hő azt a változást entalpia:
A entrópiaváltozás melegítés hatására (hűtés).
A (1) egyenlet az izobár folyamat (p = const).
Ahhoz, hogy 1 mól
ahol Cp - moláris izobár hőkapacitása anyagok, J / (molK).
Integrálása az utolsó egyenlet egy bizonyos tartományon belül (amikor a hőmérséklet változik T1-T2):
Ha a hőkapacitása a vizsgált hőmérséklet-tartomány valamivel függ a hőmérséklettől, azaz Használhatja az átlagos izobár hőkapacitása. majd az oldatot a (2) egyenlet a formája:
A változás az entrópiában bekövetkező kémiai reakció során (T = const).
Mivel a entrópia - állami funkció, a változás során a kémiai reakció lehet kiszámítani a következő egyenlet szerint:
ahol Sj. Si - entrópia reakciótermékek és a kiindulási anyagok, illetve a reakció hőmérsékletén; j. i - sztöchiometrikus együtthatók.
A standard referencia irodalomban megadott entrópia anyagok hőmérséklete 298 K.
Ha a reakció hőmérséklete eltérő 298 K, az entrópia az anyag egyenlet szerint számítjuk ki (3), a kényelem figyelembe a T1 hőmérséklet 298 és T2 - reakció-hőmérséklet:
ahol S - entrópiaváltozás anyag melegítés (vagy hűtés) az az anyag, 298 K, hogy a hőmérséklet T.
Behelyettesítése után (5) be (4) minden egyes reakcióban felhasználó kapjunk kiszámításának képlete az entrópia változása a reakció során olyan hőmérsékleten T:
ahol - a különbség a izobár specifikus melegíti reakció termékek és kiindulási anyagok figyelembe véve a sztöchiometrikus együtthatók.
és az irányt a spontán folyamatok
A változás az entrópiában egyértelműen meghatározza azt az irányt, és korlátozza spontán folyamat izolált rendszerek csak: ha a számítás eredményét az lenne, hogy S> 0, a folyamat megy spontán, amikor S = 0 - egyensúly, ha S