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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热力学基本方程的验证

已有 292 次阅读 2024-9-5 13:31 |系统分类:教学心得

       本文拟结合化学反应具体实例,验证准静态过程假说的热力学基本方程,供参考.

  1. 热力学基本方程

    准静态过程假说认为某热力学过程(特指元熵过程)进行时,其热力学能变(dU)由热量(δQ)、体势

变(δWV)及有效功(δW')三部分构成;并且将热量及体势变分别定义为:

      δQ=T·dS              (1)

      δWV=-p·dV          (2)

     则该热力学过程热力学能变可表示为:

      dU=T·dS+(-p·dV)+δW'              (3)

     式(3)称热力学第一定律,或称能量守恒定律.

     将公式“H=U+pVG=H-TSA=U-TS”依次代入式(3),并整理可得:

      dH=T·dS+V·dp+δW'                      (4)

      dG=-S·dT+V·dp+δW'                     (5)

      dA=-S·dT+-p·dV+δW'             (6)

      式(3)、(4)、(5)及(6)统称热力学基本方程,适用范围为热力学元熵过程.

 2.热力学基本方程的验证

     恒温恒压及环境不提供有效功前提下,式(3)、(4)、(5)及(6)积分,分别可得:

     image.png     (7)

     image.png                     (8)

     image.png                                     (9)

      image.png                  (10)

    []. 25℃标态下,化学反应2H2O2(l)→2H2O(l)+O2(g)相关物质的热力学性质参见如下表1所示:

     表1. 25℃标态下相关物质的热力学性质

image.png 

   依热力学基本原理,并将表1数据代入可得:

    ΔrHθm=2ΔfHθm(H2O,l)+ΔfHθm(O2,g)-2ΔfHθm(H2O2,l)

               =2×(-285.830kJ·mol-1)-2×(-187.78kJ·mol-1

               =-196.10kJ·mol-1                                                     (11)

   ΔrGθm=2ΔfGθm(H2O,l)+ΔfGθm(O2,g)-2ΔfGθm(H2O2,l)

               =2×(-237.129kJ·mol-1)-2×(-120.35kJ·mol-1

               =-233.56kJ·mol-1                                                     (12)

    ΔrSθm=2Sθm(H2O,l)+Sθm(O2,g)-2Sθm(H2O2,l)

               =2×69.91J·mol-1·K-1+205.138J·mol-1·K-1-2×109.6J·mol-1·K-1

               =125.758J·mol-1·K-1                                                  (13)

    另恒温恒压下化学反应完成,

    image.png   

                       =-8.314J·mol-1·K-1×298.15K×1 

                       =-2.479kJ·mol-1                                                 (14)                

   将式(12)代入式(9)可得:

   image.png                                            (15)

   将式(13)、(14)及(15)依次代入式(7)可得:

   image.png

              =-198.54kJ·mol-1                                                         (16)

   将式(13)及(15)分别代入式(8)可得:

    image.png    

             =-196.07kJ·mol-1                                                           (17)

   将式(14)及(15)分别代入式(10)可得:

   image.png                       (18)

   对比式(17)与式(11)数据可知,在计算误差范围内,两者完全吻合; 这表明准静态过程假说较好地自洽.

 3. 结论

    准静态过程假说的热力学基本方程“dU=T·dS-p·dV+δW' ;dH=T·dS+V·dp+δW' ;

dG=-S·dT+V·dp+δW' ;dA=-S·dT-p·dV+δW' ”自洽性好.



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