II. Интегрирование изобары Вант-Гоффа.
ТРЕТИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕПЛОВАЯ ТЕОРИЯ НЕРНСТА
Ранее нами были рассмотрены способы определения внутренней энергии и энтальпии, а также расчеты энергий Гиббса и Гельмгольца. Теперь остановимся на возможности расчета энтропии. Подобная возможность возникает после ознакомления с третьим законом термодинамики. Его следует рассматривать в качестве постулата о предельном значении энтропии и ее изменениях в процессах, происходящих вблизи абсолютного нуля температуры.
Существует несколько формулировок III закона термодинамики:
1. Постулат Планка
Энтропия любого термодинамически равновесного процесса при абсолютном нуле температуры равна нулю;
2. Абсолютный нуль температур не достижим (принцип недостижимости нуля температуры);
3. По мере приблежения к абсолютному нулю значения энтальпии ∆H и энергия ∆G сближаются (тепловая теорема Нернста).
ТЕПЛОВАЯ ТЕОРЕМА НЕРНСТА
Уравнение Гиббса-Гельмгольца:
Тепловая теорема Нернста показывает, что по мере приближения к абсолютному нулю происходит сближение между энтальпией ∆Н и энергией Гиббса ∆G, а при абсолютном нуле сближаются кривые, характеризующие изменение ∆Н и ∆G от температуры, и образующаяся общая касательная 1 параллельна оси температуры.
При Т → 0:
1. ∆G =∆H;
2. ∆G =∆H=0;
3.
1- Общая касательная
Теорема Нернста: Вблизи абсолютного нуля первая производная по температуре энергии Гиббса равна первой производной изменения энтальпии и равна нулю.
|
|
Следствие:
1. ;
Теплоёмкость вещества при абсолютном нуле температуры равна нулю.
2. ;
Изменение энтропии при абсолютном нуле температуры равно нулю.
При этом наблюдется так называемое явление «вырождение», когда по мере приближения к абсолютному нулю свойства тел все меньше зависят от температуры.
Обратимся к формуле , т.е. в соответствии с тепловой теоремой Нернста разность между кривыми ∆Н и ∆G есть Т∆S. При этом Т → 0 изменение энтропии, согласно 2 следствию теоремы Нернста, становится близким к нулю, и кривые начинают сходиться.
Расширенная формулировка Планка
При изменение температуры от Т1 до Т2 изменение энтропии можно выразить следующим образом:
;
При помощи этого уравнения можно получить абсолютное значение энтропии вещества. Отметим существенное отличие абсолютных значений энтропии от значения других характеристических функций (∆U,∆H,∆G и ∆F), которые являются разностью двух состояний, а не абсолютными значениями.
При абсолютном нуле способность системы к рассеянию энергии иссекает; например, у совершенного
|
|
кристалла при абсолютном нуле все атомы находятся в регулярном однородном состояние без разупорядогенности. Они фиксированы в узлах кристаллической решетки и лишены возможности совершать какое - либо движение.
1. Первая строгая формулировка Планка:
Энтропия правильно образованного кристалла при Т=0К равна 0.
Подчеркнем, что речь идет о правильно образованном, бездефектном, совершенном кристалле. Большинство реальных кристаллов содержат примеси, имеют дефекты, а их энтропия даже при абсолютном нуле несколько больше нуля.
2. Можно показать, что энтропия равна:
По мере приближения к абсолютному нулю, когда Т→0 , теплоёмкость становиться бесконечно малой величиной и стремится к нулю. Тогда подынтегральное выражение в правой части управления (1) в результате деления двух бесконечно малых величин становится неопределённым, а само уравнение теряет смысл. Из этого в свою очередь вытекает следствие о недостижимости абсолютного нуля температуры. У каждого тела существует своя критическая температура , ниже которой охладить тело невозможно.
|
|
РАСЧЕТ АБСОЛЮТНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЭНТРОПИИ
Третий закон термодинамики используется для вычисления абсолютных энтропий простых и сложных веществ. Абсолютной энтропией называется энтропия, отсчитанная относительно абсолютного нуля температуры S(0)=0.
Для расчетов необходимо учитывать следующие уравнения.
1.
2.
3.
Если вещество может находиться в различных агрегатных состояниях, то следует учитывать изменение энтропии при фазовых переходах. Тогда в общем случае для вещества в газообразном состоянии абсолютная энтропия будет складываться из следующих составляющих:
По этому уравнению можно вычислить абсолютные энтропии веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Пример. Рассчитать энтропию воды при t=1500C.
Энтропия воды при t=1500C(423К) равна:
;
;
Третий закон термодинамики можно использовать для расчета химических равновесий.
РАСЧЕТ КОНСТАНТЫ РАВНОВЕСИЯ КР:
I. По табличным значениям.
II. Интегрирование изобары Вант-Гоффа.
III. Метод комбинированных равновесий.
I. По табличным значениям.
В настоящее время известны стандартные теплоты образования ∆Н0f и энтропия S0298 , более 7500 простых веществ и соединений. С помощью этих табличных значений можно вычислить термодинамические параметры (∆Н0298 ,∆S0298 и ∆G0298) многих десятков тысяч реакций, в том числе предполагаемых и не изученных экспериментально. В методе расчета, основанном на использовании стандартных термодинамических величин, используются два исходных уравнения:
|
|
а также уравнения для процессов:
Расчет ΔG при заданной температуре.
а) Первое приближение Улиха.
(грубое приближенное уравнение )
Данное приближение решение необходимо для быстрой оценки возможности реакции при интересующей нас температуре и положения равновесия.
б) Второе приближение Улиха.
Где
Второе приближение используется в случае, если не требуется особой точности в определении положения равновесия.
в) Метод Шварцмана-Темкина.
Проведем первое интегрирование уравнения и получим:
Проведем второе интегрирование и, собрав все члены с общими множителями , будем иметь:
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА Кр
1.Составляем таблицу термодинамических величин: aA + bB ↔ cC + dD
Вещество | ∆Н0f , Дж/(моль*К) | S0298, Дж/(моль*К) | Ср, Дж/(моль*К) | а | b | c |
А | ||||||
В | ||||||
С | ||||||
D |
2.проводим расчет т.д. параметров при стандартных условиях:
∆Н0298 =∑(ni∆Н0f )кон — ∑(ni∆Н0f )нач;
∆ S0298=∑( ni S0298)кон — ∑( ni S0298)нач;
∆Ср=∑( ni Ср)кон — ∑( ni Ср)нач;
∆a=∑( ni a)кон — ∑( ni a)нач;
∆b=∑( ni b)кон — ∑( ni Ср)нач;
∆c=∑( ni c)кон — ∑( ni c)нач.
3.Расчет изменения энергии Гиббса :
а) при стандартных условиях:
б) при интересующей нас температуре Т
( а) по первому приближению Улих;.
б) Второму приближение Улих;.
в) Метод Шварцмана-Темкина)
4. Расчет константы равновесия Кр:
II. Интегрирование изобары Вант-Гоффа.
[см. лекцию “Интегрирование изобары Вант-Гоффа”]
В этом случае ∆Н определяется по уравнению Кирхгофа: ∆HT =∆H298+∆Cp*(T-298) при интересующей нас температуре.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1262; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!