余高奇
可逆电池悖论
2026-5-26 05:41
阅读:2047

         本文拟介绍可逆电池悖论,供同行参考.

 1. 可逆电池

         平衡态热力学通常认为:可逆电池放电过程必须同时满足①物质可逆;②能量可逆;及③过程可逆.

         过程可逆特指放电过程系统无限小的偏离平衡,并随时可恢复平衡;放电过程驱动力无限小,放电速

率无限缓慢(i→0);放电过程函数连续、无间断,且可积可微.

         平衡态热力学的可逆电池判据如下:

            dSiso=dSclo+dSamb=0      (1)

          式(1)中“dSiso、dSclo及dSamb”分别代表隔离系统、封闭系统及封闭系统环境的微小熵变.

          平衡态热力学将封闭系统及封闭系统环境熵变分别定义为:

            dSclo=δQr/T     (2)

            dSamb=-δQ/Te    (3)

           式(2)及(3)中“δQr及δQ"分别代表可逆过程及真实过程的热量; “T与Te”分别表示封闭

系统及封闭系统环境的温度.

   2. 可逆电池熵变的计算

     2.1 封闭系统的熵变计算

         对于恒温、恒压及环境不提供有效功(特指电功及表面功等)前提下进行的某可逆电池反应:

         dH=δQr+δW'      (4)

         δW'=dG          (5)

         将式(5)代入式(4),并整理可得:

         δQr=dH-δW'=dH-dG       (6)

         将式(6)代入式(2)可得:

           dSclo=δQr/T  =(dH-dG)/T   (7)

     2.2 封闭系统环境的熵变计算

         对于恒温、恒压及环境不提供有效功前提下进行的真实原电池反应,平衡态热力学认为:

        dH=δQp+δW'     (8)

         δW'=0       (9)

         将式(9)代入式(8),并整理可得:

         δQp=dH     (10)

          恒温条件下,将式(10)代入式(3)可得:

         dSamb=-δQ/Te   =-dH/T (11)

     2.3 隔离系统的熵变计算

          平衡态热力学通常认为:

           dSiso=dSclo+dSamb     (12)     

           将式(7)及(11)依次代入式(12),并整理可得:

           dSiso=(dH-dG)/T  -dH/T =-dG/T     (13)

          另结合可逆电池原理可得:

          dG=-ZFE·dξ<0       (14)

           结合式(13)及(14)结果可知:

            dSiso=-dG/T  >0       (15)

           式(1)与(15)矛盾的事实,可被称为“可逆电池悖论”.

    3. 结果讨论

         原电池放电过程,系统产生电能(或非体积功),此时平衡态热力学中自发性G判据不能使用.

因此只能使用熵增原理,即:dSiso=dSclo+dSamb ≥0,判定可逆电池的自发性.

   4. 结论

      可逆电池“dSiso=-dG/T  >0 ”的事实与"dSiso=dSclo+dSamb=0"矛盾.

          

转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自余高奇科学网博客。

链接地址:https://wap.sciencenet.cn/blog-3474471-1536399.html?mobile=1

收藏

当前推荐数:0
推荐到博客首页
网友评论1 条评论
确定删除指定的回复吗?
确定删除本博文吗?