Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

1.14.10: Рівняння Гіббса - Гельмгольца

  • Page ID
    28478
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Енергія Гіббса і ентальпія замкнутої системи пов'язані між собою;

    \[\mathrm{G}=\mathrm{H}-\mathrm{T} \, \mathrm{S}\]

    Два властивості\(\mathrm{G}\) також\(\mathrm{H}\) пов'язані рівнянням Гіббса - Гельмгольца через\(\mathrm{G}\) залежність від температури при фіксованому тиску. Визначено ситуацію, в якій замкнута система рівноваги з енергією Гіббса\(\mathrm{G}\) зміщується в сусідній рівноважний стан зміною температури при постійному тиску. Нас цікавить часткова похідна,\(\left[\frac{\partial(\mathrm{G} / \mathrm{T})}{\partial \mathrm{T}}\right]_{\mathrm{p}, \mathrm{A}=0}\). У загальних рисах розглядається ізобарна\((\mathrm{G} / \mathrm{T})\) диференціальна залежність від температури.

    \[\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dT}}\left(\frac{\mathrm{G}}{\mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}}=\frac{1}{\mathrm{~T}} \,\left(\frac{\partial \mathrm{G}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{p}-\frac{\mathrm{G}}{\mathrm{T}^{2}}\]

    \[\mathrm{T}^{2} \, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dT}}\left(\frac{\mathrm{G}}{\mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}}=\mathrm{T} \,\left(\frac{\partial \mathrm{G}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}}-\mathrm{G}\]

    Але

    \[\mathrm{S}=-\left(\frac{\partial \mathrm{G}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}}\]

    Для зміни рівноваги використовуються рівняння (b) і (c) рівняння виходу (е).

    \[\mathrm{T}^{2} \, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dT}}\left(\frac{\mathrm{G}}{\mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}}=-(\mathrm{G}+\mathrm{T} \, \mathrm{S})\]

    Але\(\mathrm{H}=\mathrm{G}+\mathrm{T} \, \mathrm{S}\). Потім,

    \[\mathrm{H}=-\mathrm{T}^{2} \, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dT}}\left(\frac{\mathrm{G}}{\mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}}\]

    Для зміни рівноваги,

    \[\Delta \mathrm{H}(\mathrm{A}=0)=-\mathrm{T}^{2} \, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dT}}\left(\frac{\Delta \mathrm{G}}{\mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p} ; \mathrm{A}=0}\]

    або,

    \[\Delta \mathrm{H}(\mathrm{A}=0)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dT}^{-1}}\left(\frac{\Delta \mathrm{G}}{\mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p} ; \mathrm{A}=0}\]

    Аналогічним чином отримано рівняння Гіббса -Гельмгольца для системи, збуреної при постійному складі [1].

    \[\Delta \mathrm{H}(\text { fixed } \xi)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dT}^{-1}}\left(\frac{\Delta \mathrm{G}}{\mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}, \bar{\xi},}\]

    Рівняння (f) є відправною точкою для розробки іншого важливого рівняння. Таким чином,

    \[\mathrm{H}=-\mathrm{T}^{2} \,\left[-\frac{\mathrm{G}}{\mathrm{T}^{2}}+\frac{1}{\mathrm{~T}} \, \frac{\mathrm{dG}}{\mathrm{dT}}\right]\]

    Отже,

    \[\mathrm{H}=\mathrm{G}-\mathrm{T} \,\left[\frac{\mathrm{dG}}{\mathrm{dT}}\right]\]

    Рівняння (k) диференціюється по відношенню до температури при постійному тиску і при '\(\mathrm{A}=0\)'.

    \[\left(\frac{\partial \mathrm{H}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}, \mathrm{A}=0}=\left(\frac{\partial \mathrm{G}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}, \mathrm{A}=0}-\mathrm{T} \,\left(\frac{\partial^{2} \mathrm{G}}{\partial \mathrm{T}^{2}}\right)_{p, A=0}-\left(\frac{\partial \mathrm{G}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}, \mathrm{A}=0}\]

    Отже,

    \[\left(\frac{\partial \mathrm{H}}{\partial \mathrm{T}}\right)_{\mathrm{p}, \mathrm{A}=0}=-\mathrm{T} \,\left(\frac{\partial^{2} \mathrm{G}}{\partial \mathrm{T}^{2}}\right)_{\mathrm{p}, \mathrm{A}=0}\]

    Але

    \[\left(\frac{\partial^{2} G}{\partial T^{2}}\right)_{p, A=0}=\frac{\partial}{\partial T}\left(\frac{\partial G}{\partial T}\right)=-\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_{p, A=0}\]

    Також рівноважна ізобарна теплоємність,

    \[C_{p}(A=0)=\left(\frac{\partial H}{\partial T}\right)_{p, A=0}\]

    Рівняння (m), (n) і (o) рівняння виходу (p).

    \[\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_{p, A=0}=\frac{C_{p}(A=0)}{T}\]

    Рівняння (р) пов'язує ізобарну рівноважну залежність ентропії замкнутої системи від температури до ізобарної теплоємності. Також починаючи з\(\mathrm{H}=\mathrm{G}+\mathrm{T} \, \mathrm{S}\), потім

    \[(\partial \mathrm{H} / \partial \mathrm{p})_{\mathrm{T}}=(\partial \mathrm{G} / \partial \mathrm{p})_{\mathrm{T}}+\mathrm{T} \,(\partial \mathrm{S} / \partial \mathrm{p})_{\mathrm{T}}\]

    Використовуючи рівняння Максвелла,

    \[(\partial H / \partial p)_{T}=\mathrm{V}-\mathrm{T} \,(\partial \mathrm{V} / \partial \mathrm{T})_{\mathrm{p}}\]

    Аналогічно,

    \[(\partial \mathrm{U} / \partial \mathrm{T})_{\mathrm{V}}=\mathrm{C}_{\mathrm{V}}=\mathrm{T} \,(\partial \mathrm{S} / \partial \mathrm{T})_{\mathrm{V}}\]

    І

    \[(\partial \mathrm{U} / \partial \mathrm{V})_{\mathrm{T}}=-\mathrm{p}-\mathrm{T} \,(\partial \mathrm{V} / \partial \mathrm{T})_{\mathrm{p}} \,(\partial \mathrm{p} / \partial \mathrm{V})_{\mathrm{T}}\]

    Виноска

    [1] Існує багато термодинамічних рівнянь типу ГіббшельмГольца. Як загальна ознака вони відповідають наступним властивостям обчислення.

    Враховується

    \[\mathrm{f}=\mathrm{f}(\mathrm{x}, \mathrm{y})\]

    Тоді

    \[\left(\frac{\partial(f / x)}{\partial(1 / x)}\right)_{y}=-x^{2} \,\left(\frac{\partial(f / x)}{\partial x}\right)_{y}=f-x \,\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)_{y}\]

    Аналогічно,

    \[\left(\frac{\partial(f / y)}{\partial(1 / y)}\right)_{x}=-y^{2} \,\left(\frac{\partial(f / x)}{\partial y}\right)_{x}=f-y \,\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right)_{x}\]

    Зазвичай\(\mathrm{f}\) позначає термодинамічний потенціал і\(x\) і\(y\ for its natural variables. Thus a total of 8 equations of the Gibbs - Helmholtz type holding for closed systems can be constructed from \(\mathrm{U}=\mathrm{U}(\mathrm{S}, \mathrm{V}), \mathrm{F}=\mathrm{F}(\mathrm{T}, \mathrm{V}), \mathrm{H}=\mathrm{H}(\mathrm{S}, \mathrm{p}) \text { and } \mathrm{G}=\mathrm{G}(\mathrm{T}, \mathrm{p})\).