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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热力学(∂G/∂ξ)T,p的数学推演

已有 2743 次阅读 2023-2-10 18:20 |系统分类:教学心得

       本文拟结合化学势的不同定义,重新数学推演(G/ξ)T,p,供参考.

  1.  (G/ξ)T,p的热力学意义

    对于化学反应 aA+bB=cC+dD            (1)

    吉布斯能(G)与反应进度(ξ)关系参见如下图1[1]

                                                       image.png 

                                                    图1. 系统吉布斯能与反应进度关系示意图

    图1中G代表系统的吉布斯能;ξ代表式(1)的反应进度;式(1)中A、B、C及D的物质的量分别用

nAnBnCnD表示,化学计量系数分别表示为νAνBνCνD.

       则:dξ=dnA/νA=dnB/νB=dnC/νC=dnD/νD        (2)

       图1中 (G/ξ)T,p表示恒温恒压条件下,系统吉布斯能(G)对反应进度(ξ)的偏微分.

    2. 化学势的定义

       2.1 平衡态热力学的化学势定义

        平衡态热力学认为:化学势(μB)是指在温度、压强及除B外的其它组分的组成恒定的前提下,系统吉布

斯能(G)对系统B组分物质的量(nB)的偏微分;化学势与吉布斯能的关系参见如下式(3)及(4).

         μB=     (3)

         恒温恒压条件下:

         image.png              (4)

        2.2 准静态过程假说的化学势定义

       准静态过程假说认为:化学势(μB)是指单位物质的量的B组分所拥有的吉布斯能[2];化学势与吉布斯能

的关系参见如下式(5)、(6)、(7)及(8).

        μB=GB/nB                                        (5)

       image.png                (6)

       image.png   (7)

        image.png                              (8)

    3.  (G/ξ)T,p的数学推演

       3.1 平衡态热力学的数学推演

       由式(2)可得:dξ=dnB/νB        (9)

       结合式(9)可得:(G/ξ)T,p=νB·(G/nB)T,p,nC              (10)

       将式(3)代入式(10)可得:(G/ξ)T,p=νB· μB               (11)

       式(11)显示依据平衡态热力学的化学势定义:

           image.png     (12)

      备注:平衡态热力学的化学势定义条件较(G/ξ)T,p更严格, 可应用于式(10).

      3.2 准静态过程假说的数学推演

      结合式(6)可得:

image.png  (13) 

      式(13)结合式(8)可得:image.png                                            (14)

   4. 结论

      如果 μB=,则:image.png

参考文献

[1]沈文霞. 物理化学核心课程(第二版).北京:科学出版社, 2009:145-146.

[2]余高奇. 再论化学势的吉布斯定义. http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666.科学网博客, 2021,12

 



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