余高奇
均相多组分系统(平衡态)热力学基本方程的三点剖析
2024-7-6 12:38
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       本文拟剖析均相多组分系统的(平衡态)热力学基本方程,供参考.

       均相多组分系统的(平衡态)热力学基本方程参见如下式(1)所示:

       image.png

        式(1)中“μBnB”分别代表均相多组分系统中B组分物质的化学势与物质的量.

 1. 化学势的偏摩尔量定义

      恒温恒压及除B以外,其它组分的物质的量恒定前提下,由式(1)可得:

      image.png 

       式(2)即为经典的平衡态热力学化学势的偏摩尔量定义.

       式(2)中“nC”代表均相多组分系统中除B以外的其它各组分的物质的量.

       有必要指出: 偏摩尔量是具有强度性质的状态函数,状态确定是偏摩尔量物理意义明确的前提.

       式(2)在恒温恒压及除B以外,其它组分的物质的量恒定前提下,改变B组分的物质的量,系统状态一定随之发生改变;此时所得化学势的偏摩尔量定义,仅为一种数学拟合, 背离了偏摩尔量的物理本质[1].

  2. 理想气体单纯pVT变化的dG计算

      式(1)在理想气体单纯pVT变化的dG计算中应用参见如下例1.

[例1]. 25℃时,1mol理想气体N2,由100kPa的始态恒温膨胀至50kPa的终态,试利用热力学基本方程计算该过程的ΔG

      N2恒温膨胀过程示意图参见如下图1所示:

                                            image.png 

                                                  图1. N2恒温膨胀过程示意图

 解:依题恒温条件下,式(1)可化简为:

      image.png 

      式(3)积分可得:

      image.png 

     显然,由式(1)所得式(4)是错误的.

 3. 化学反应(或相变)的dG计算

     式(1)在化学反应(或相变)的dG计算中应用参见如下例2.

    [例2]. 25℃时,1mol石墨完全燃烧生成CO2(g),试利用热力学基本方程计算该过程的ΔG

     1mol石墨完全燃烧对应的反应方程式参见如下式(5)所示:

      image.png

    25℃,标态下相关物质的热力学性质参见如下表1所示[2]

   表1.25℃,标态下相关物质的热力学性质

image.png 

   解:依题恒温恒压条件下,式(1)可化简为:

          image.png 

        式(6)积分可得:

        image.png 

       另依热力学基本原理可得:

       image.png 

       结合式(7)、(8)可知:

       image.png 

       对比式(6)与(9)可知:式(1)的确可解释恒温恒压下化学反应(或相变)“ΔG≠0”的事实.

       需强调,平衡态热力学计算得到的化学反应(或相变)的ΔG并无明确的物理意义.  

 3.结论

    ⑴由均相多组分系统的(平衡态)热力学基本方程所得化学势的偏摩尔量定义,仅为一种数学拟合,背离了化学势的物理本质;

    ⑵将均相多组分系统的(平衡态)热力学基本方程应用于理想气体单纯pVT变化的dG计算,所得结果也是错误的.

    ⑶尽管均相多组分系统的(平衡态)热力学基本方程可用于解释恒温恒压条件下,化学反应(或相变)“ΔG≠0”的事实,但得到的ΔG无明确的物理意义.

 参考文献

[1]余高奇. 化学势的热力学属性探究.科学网博客, 2023,12. 

[2]天津大学物理化学教研室编.物理化学(上册,第五版).北京:高等教育出版社,2001,12:311-314.     

     

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