第三章第二定律1物理化学

1、2022-3-20不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化2022-3-20 热力学第一定律反映了过程的能量守恒热力学第一定律反映了过程的能量守恒,但没有确定过程的方向和限度但没有确定过程的方向和限度.本章将讨本章将讨论的热力学第二定律讲的是过程的方向论的热力学第二定律讲的是过程的方向和限度的问题和限度的问题. 引入状态函数熵的概念引入状态函数熵的概念 亥姆霍兹函数判据亥姆霍兹函数判据 吉布斯函数判据吉布斯函数判据 克拉佩龙方程和麦克斯韦关系式克拉佩龙方程和麦克斯韦关系式2022-3-20 1824 年，法国工程师N.L.S.Carnot (17961832)设计了一个循环，以理想气

2、体为工作物质，从高温(T1)热源吸收(Q1)的热量，一部分通过理想热机用来对外做功W，另一部分Q2的热量放给低温T2热源。这种循环称为卡诺循环。N.L.S.Carnot2022-3-20 卡诺循环2022-3-201mol 理想气体的卡诺循环在pV图上可以分为四步：01U所作功如AB曲线下的面积所示。（1）等温可逆膨胀，由p1, V1, T1到p2, V2, T1（AB），理想气体从高温热源T1吸热，系统对环境做功。12111lnVVnRTWQQ12022-3-200Q所作功如BC曲线下的面积所示。（2）绝热可逆膨胀，由p2, V2, T1到p3, V3, T2（BC），这个过程是系统消耗内能

3、对环境做功，温度由T1降到T221 22,21 d()TV mV mTWUnCTnCTT 2022-3-20过程3：等温(T2)可逆压缩由 到33VpD)C(44Vp环境对体系所作功如DC曲线下的面积所示U U3 3 = 0 = 0，34232lnVVnRTWQ2022-3-20环境对体系所作的功如DA曲线下的面积所示。（4）绝热可逆压缩，由p4, V4, T2到p1, V1, T1（DA）这个过程是环境对系统做功使内能增加，温度从T2升到T1，回到始态。 Q Q = 0 = 0，12 44,12 nd()TV mV mTWUCTnCTT 2022-3-20整个循环：Q Q1 1是体系所吸的热

4、，为正值，Q Q2 2是体系放出的热，为负值。即ABCD曲线所围面积为热机所作的功。U = 0U = 0Q = QQ = Q1 1 + Q + Q2 22412341213(lnln)VVWWWWWnR TTVV 2022-3-20过程2：过程4：4312VVVV 相除得根据绝热可逆过程方程式132121VTVT142111VTVT2121()lnVWnR TTV 2022-3-20 任何热机从高温(T1)热源吸热 (Q1),一部分转化为功W,另一部分 Q2传给低温 T2热源.将热机所作的功与所吸的热之比值称为热机效率,或称为热机转换系数，用 表示。 恒小于1。1QW 2022-3-20结论：

5、卡诺循环的热机效率只与两个热源的温度有关，结论：卡诺循环的热机效率只与两个热源的温度有关，两个热源的温差越大，效率越高，热的利用也越完全。两个热源的温差越大，效率越高，热的利用也越完全。结论：卡诺循环的热温商之和为零。结论：卡诺循环的热温商之和为零。 )/ln()/ln()(1211221VVnRTVVTTnR 121211TTTTT 21QQW 1211211TTTQQQQW 1212TTQQ 2211TQTQ 02211 TQTQ2022-3-20 卡诺循环式可逆循环卡诺循环式可逆循环,因为可逆过程系统因为可逆过程系统对环境作最大的功对环境作最大的功,所以卡诺热机的效率所以卡诺热机的效率最

6、大最大.而一切不可逆热机的效率均要小于而一切不可逆热机的效率均要小于卡诺热机卡诺热机.2022-3-20卡诺定理：所有工作于同温热源和同温冷源之间的热机，其效率都不能超过可逆机，即可逆机的效率最大。卡诺定理推论：所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相等，即与热机的工作物质无关。2022-3-201、自发过程、自发过程 系统中无需环境施加影响就可以自动进系统中无需环境施加影响就可以自动进行的过程称为行的过程称为自发过程（自发过程（spontaneous process） 。自发过程的共同特征：不可逆性自发过程的共同特征：不可逆性例如：热传递过程；例如：热传递过程；气体的膨胀过程

7、；气体的膨胀过程；化学反应过程；化学反应过程；水从高处流向低处；水从高处流向低处；溶液从高浓度向低浓度扩散。溶液从高浓度向低浓度扩散。2022-3-20n 自然界中自动进行的过程总是有确定的变化自然界中自动进行的过程总是有确定的变化方向，方向，“一去不复返一去不复返”，是单方向的趋向平，是单方向的趋向平衡态，它们衡态，它们不可能自动逆转不可能自动逆转。n 自然界中一切自发过程都是自然界中一切自发过程都是不可逆过程不可逆过程。自。自然界中一个自动进行的过程发生后，借助于然界中一个自动进行的过程发生后，借助于外力的帮助，可以使系统恢复原态，但是，外力的帮助，可以使系统恢复原态，但是，在系统恢复原态

8、的同时，环境必定留下了永在系统恢复原态的同时，环境必定留下了永久性的、不可消除的变化。久性的、不可消除的变化。n 各种自发过程的不可逆性最终都可以归结为：各种自发过程的不可逆性最终都可以归结为：系统恢复原状之后，环境中必然留下了功变系统恢复原状之后，环境中必然留下了功变为热的变化，即各种自发过程的不可逆性都为热的变化，即各种自发过程的不可逆性都可以归结为可以归结为功变为热的不可逆性功变为热的不可逆性。 2022-3-20 自发过程逆向进行必须消耗功自发过程逆向进行必须消耗功 要使自发过程的逆过程能够进行要使自发过程的逆过程能够进行,必须让必须让环境对系统作功环境对系统作功. 例如例如: 用冷冻

9、机将热由低温物体转移到高用冷冻机将热由低温物体转移到高温物体温物体 用压缩机将其提低压容器抽出，压入高用压缩机将其提低压容器抽出，压入高压容器压容器2022-3-20v自发与可逆是两个不相同的概念。过程自发与可逆是两个不相同的概念。过程自发与否，它表示过程自动进行的方向，自发与否，它表示过程自动进行的方向，决定于系统始态和终态的性质。而过程决定于系统始态和终态的性质。而过程可逆与否，它表示过程所采用的方式。可逆与否，它表示过程所采用的方式。v例如，高山上的水自动向山脚流动，它例如，高山上的水自动向山脚流动，它决定于山上水位与山脚水位之差，是过决定于山上水位与山脚水位之差，是过程进行的本质问题，

10、是方向性问题。流程进行的本质问题，是方向性问题。流动的方式分为可逆和不可逆。动的方式分为可逆和不可逆。2022-3-20克劳修斯（Clausius）的说法：“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。”开尔文（Kelvin）的说法：“不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。” 后来被奥斯特瓦德(Ostward)表述为：“第二类永动机是不可能造成的”。第二类永动机：从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。2022-3-20v1、卡诺定理、卡诺定理 v1824年卡诺在研究热机效率的基础上提年卡诺在研究热机效率的基础上提出：所有工作在两个一定温度热源之间出：所有工作

11、在两个一定温度热源之间的热机，以可逆热机的效率为最大。这的热机，以可逆热机的效率为最大。这就是著名的卡诺定理。就是著名的卡诺定理。 2022-3-20 假定卡诺定理不成立假定卡诺定理不成立rirrrrrrrrrrrrirQQQQWQQQQWQQQQW, 1, 2, 1, 1, 1, 2, 1, 11211rQQ, 110, 0)(, 22, 22, 2, 121rrrrrrQQWWQQQQQQWW违背了开尔文的说法违背了开尔文的说法2022-3-20从卡诺定理直接得到的推论是：所有工从卡诺定理直接得到的推论是：所有工作于两个恒温热源之间的可逆热机的效作于两个恒温热源之间的可逆热机的效率相等。率

12、相等。 12120QQTT12120QQTT121TTr121211QQQQQir 不可逆=可逆 不可逆=可逆不可逆不可逆0TQ dS=可逆可逆对于微小变化过程：对于微小变化过程：不可逆不可逆=可逆可逆用途：判别过程的性质用途：判别过程的性质不可逆 QBATS可逆 QBAT不可能 QBAT2022-3-20四、熵判据，熵增原理：四、熵判据，熵增原理：自发过程 0S结论：自发过程总是沿着孤立系统熵增大的方向进行，结论：自发过程总是沿着孤立系统熵增大的方向进行，一直到系统达到新的平衡，这时熵值极大。这就是自一直到系统达到新的平衡，这时熵值极大。这就是自发过程的方向和限度。发过程的方向和限度。 将克

13、劳修斯不等式应用于孤立系统：将克劳修斯不等式应用于孤立系统：平衡态 0S不可能 0S熵增原理：孤立系统中发生的任意过程总是向熵增大熵增原理：孤立系统中发生的任意过程总是向熵增大的方向进行。的方向进行。用途：判别用途：判别孤立系统孤立系统自发进行的方向。自发进行的方向。2022-3-20注意：当系统不是孤立系统时，将与之密切接触的环境注意：当系统不是孤立系统时，将与之密切接触的环境加在一起，看成一个总的孤立系统。由于熵是广度性质，加在一起，看成一个总的孤立系统。由于熵是广度性质，孤立系统的熵变就等于系统的熵变和环境的熵变的和。孤立系统的熵变就等于系统的熵变和环境的熵变的和。 S孤 =S系 + S

14、环 0 式中S系为原来系统的熵变，S环为与系统有关的环境的熵变。 0S0Q ，即：对于绝热过程，有对于绝热过程，有能不能用来判别自发过程的方向？能不能用来判别自发过程的方向？ 可逆不可逆2022-3-20因为绝热不可逆压缩过程是个非自发过程，但其熵变值也大于零。2022-3-20 五、熵的物理意义：五、熵的物理意义：熵是系统混乱程度的量度！熵是系统混乱程度的量度！2022-3-203.4 熵变的计算熵变的计算 计算原则：无论过程是否可逆，总可以设计一个计算原则：无论过程是否可逆，总可以设计一个与实际过程有相同始末态的可逆途径，利用此可与实际过程有相同始末态的可逆途径，利用此可逆过程的热温商的总

15、和来度量系统在实际过程中逆过程的热温商的总和来度量系统在实际过程中的熵变。的熵变。S = SS = S2 2 S S1 1 式中式中S S2 2和和S S1 1分别为系统末态分别为系统末态和始态的熵。和始态的熵。2022-3-20(1)任何可逆变化时环境的熵变Rd ()()/ ()SQT 环环环(2)体系的热效应可能是不可逆的，但由于环境很大，对环境可看作是可逆热效应d ()()/()SQT 环体系环2022-3-20 2. 凝聚系统熵变的计算凝聚系统熵变的计算 上面关于熵变的计算原则，也适用于无相变和化学变上面关于熵变的计算原则，也适用于无相变和化学变化的凝聚系统。化的凝聚系统。 对于凝聚系

16、统体积变化很小，在压力变化不大时，熵对于凝聚系统体积变化很小，在压力变化不大时，熵随压力的变化可以忽略。因此，凝聚系统的熵变，主随压力的变化可以忽略。因此，凝聚系统的熵变，主要由温度变化引起。要由温度变化引起。 在恒压时：在恒压时： TTCTHTQSTTmprdd21 ,2 1 2 1 12,lnTTnCSmp2022-3-20 单纯的PVT变化熵变计算（1）等温过程）等温过程 例1-6-1 1mol理想气体初态为273K，100.0kPa，经过等温可逆过程膨胀到压力为10kPa的终态，求此过程的熵变。若该气体是经等温自由膨胀到压力为10kPa的终态，那么熵变又为多少。2022-3-20 解解

17、（1）对于等温可逆过程，对于等温可逆过程， 理想气体等温过程，理想气体等温过程，U = 0，Q = -W， TQQTTQSrrr2 1 2 1 11221lnlnppnRTVVnRTWQrr2112lnlnppnRVVnRS11KJ1 .19KJ )10100ln314. 81 (S2022-3-20（2 2）自由膨胀）自由膨胀 气体向真空膨胀气体向真空膨胀W=0,Q=0W=0,Q=0。根据系统的熵变根据系统的熵变S S00判断气体向真空膨胀过程是一个自发过程。判断气体向真空膨胀过程是一个自发过程。对理想气体的等温可逆过程和不可逆过程都是适对理想气体的等温可逆过程和不可逆过程都是适用的。用的。

18、1KJ1 .19S2022-3-20 （2）等压过程）等压过程 例例1-6-2 3mol理想气体初态为理想气体初态为400K，100kPa，经经过等压可逆过程降温到过等压可逆过程降温到300K的终态，求此过程的的终态，求此过程的熵变，已知该理想气体的熵变，已知该理想气体的Cp,m为为29.1 JK-1mol-1。 解：对于等压可逆过程，解：对于等压可逆过程， 由于等压热由于等压热Qp与焓变与焓变dH相等，而相等，而dH与等压过程与等压过程是否可逆无关，即有是否可逆无关，即有Qp=dH=Qr， 上式对理想气体的等压可逆过程和不可逆过程都是上式对理想气体的等压可逆过程和不可逆过程都是适用的。适用的

19、。TTCTHTQSTTmprdd21 ,2 1 2 1 12,lnTTnCSmp11KJ1 .25KJ )400300ln1 .293(S2022-3-20 （3）等容过程）等容过程 例例1-6-3 2mol理想气体初态为理想气体初态为200K，10dm3，经过经过等容可逆过程升温到等容可逆过程升温到300K的终态，求此过程的熵变，的终态，求此过程的熵变，已知该理想气体的已知该理想气体的CV,m为为24.3JK-1mol-1。 解：对于等容可逆过程，解：对于等容可逆过程， 由于等容热由于等容热QV与内能变化与内能变化dU相等，而相等，而dU与等容过与等容过程是否可逆无关，即有程是否可逆无关，即

20、有QV=dU=Qr。 上式对理想气体的等容可逆过程和不可逆过程都是上式对理想气体的等容可逆过程和不可逆过程都是适用的。适用的。 TTnCTUTQSTTmVrdd21 ,2 1 2 1 12,lnTTnCSmV11KJ7 .19KJ )200300ln3 .242(S2022-3-20 （4）绝热过程）绝热过程 例例1-6-4 1mol理想气体初态为理想气体初态为273K，100kPa，经过绝热可经过绝热可逆过程膨胀到压力为逆过程膨胀到压力为10kPa的终态，求此过程的熵变。若该的终态，求此过程的熵变。若该气体是经绝热自由膨胀到压力为气体是经绝热自由膨胀到压力为10kPa的终态，那么熵变又的终态

21、，那么熵变又为多少。为多少。 解：绝热自由膨胀过程中，解：绝热自由膨胀过程中，Q=0 W=0 T1=T2 在绝热自由膨胀过程的始末态之间设计一个等温可逆过程来在绝热自由膨胀过程的始末态之间设计一个等温可逆过程来计算这个不可逆过程的熵变。计算这个不可逆过程的熵变。 1121KJ1 .19KJ )10100ln314. 81 (lnppnRS2022-3-20 （5）pVT同时改变的过程同时改变的过程 等温过程(p1, V，T2 )始态AT1, p1,V1 等压过程末态BT2, p2,V2 等容过程(p,V1,T2 )等温过程2112,lnlnppnRTTTnCSmp1212,lnlnVVnRTT

22、TnCSmV12,12,lnlnVVnCppnCSmpmV2022-3-20（6）不同理想气体恒温、恒压混合过程的熵变）不同理想气体恒温、恒压混合过程的熵变 例例 有一容器中间用隔板隔开，一边装有有一容器中间用隔板隔开，一边装有nO2 mol的的O2，温度为温度为T，压压力为力为p；另一边装有另一边装有nN2 mol的的N2，温度为温度为T，压力为压力为p，求混合过程求混合过程的熵变的熵变mixS。解解 此混合过程的始、终态如下：此混合过程的始、终态如下： 对于对于O2(g)： 对于对于N2(g)：式中式中x为气体的量分数。为气体的量分数。 O2( g ) nO2T p VO2N2( g )

23、nN2T p VN2混合气混合气n= nO2 + nN2T p V = VO2 + VN2等 温 混等 温 混合合222lnOOOVSn RV222lnNNNVSn RV2222222222lnln(lnln)ONmixONONOONNVVSSSn Rn RR nxnxVV 2022-3-20 一般地，若有一般地，若有B种不同理想气体恒温恒压混合种不同理想气体恒温恒压混合过程其熵变为过程其熵变为 式中式中xB为气体的量分数。为气体的量分数。 由于由于xB0。理想气体在混合过程中理想气体在混合过程中系统与环境之间无功和热的交换，可视为孤立系统与环境之间无功和热的交换，可视为孤立系统，根据熵增加原

24、理，系统，根据熵增加原理，S0，可判断可判断恒温、恒温、恒压的混合过程是一个自发过程恒压的混合过程是一个自发过程。 lnmixBBBSRnx 2022-3-20等温等压可逆相变相变）相变）相变）(THS不可逆相变(等压)A相（T1）B相（T1）A相（T0）B相（T0）S不可逆可逆1S2S3S1001)()()(0321TTpTTpdTTBCTBAHdTTACSSSS2022-3-20100kPa下的冰的熔点为273K，比熔化焓为333.3J/g。过冷水的热容为Cp(l)=4.184J.g-1.K-1，冰的热容为Cp(s)=2.000J.g-1.K-1。求100kPa及263K的1kg过冷水凝固

25、成冰时，系统的熵变与环境的熵变。水263K冰263K水273K冰273KS不可逆可逆1S2S3S1001)()()(0321TTpTTpdTTBCTBAHdTTACSSSS1321.1139273263ln1000000. 227310003 .333263273ln1000184. 4KJSSSS2022-3-20100kPa下的冰的熔点为273K，比熔化焓为333.3J/g。过冷水的热容为Cp(l)=4.184J.g-1.K-1，冰的热容为Cp(s)=2.000J.g-1.K-1。求100kPa及263K的1kg过冷水凝固成冰时，系统的熵变与环境的熵变。1321.1139273263ln1

26、000000. 227310003 .333263273ln1000184. 4KJSSSSkJHQHHHHHHHQpp46.311)273263(1000000. 210003 .333)263273(1000184. 4321321对于环境而言，Q（环境）=-Q（体系）1.118426346.311)(KJKkJS 环境1.45)()()(KJSSS环境体系总2022-3-201） 自发过程一定是不可逆过程。自发过程一定是不可逆过程。2） 不可逆过程一定是自发过程。不可逆过程一定是自发过程。3） 熵增加过程一定是自发过程。熵增加过程一定是自发过程。4） 绝热可逆过程的绝热可逆过程的 S=0

27、S=0，绝热不可逆过程绝热不可逆过程的的 S S00，绝热不可逆压缩过程的绝热不可逆压缩过程的 S S00。5 5） 为了计算绝热不可逆过程的熵变，可以为了计算绝热不可逆过程的熵变，可以在始末之间设计一条绝热可逆途径来计算。在始末之间设计一条绝热可逆途径来计算。6 6）由于系统经循环过程后回到始态，所以）由于系统经循环过程后回到始态，所以一定是一个可逆过程。一定是一个可逆过程。 2022-3-201） 对。2） 错，3） 错，要在孤立体系。4） 第3句错。5） 错，绝热过程中，始末之间不可能同时存在可逆与不可逆途径。6）错，系统经过一个循环，体系与环境结合的孤立体系的熵变大于等于零。2022-

28、3-20 1.能斯特热定理 “凝聚态系统在恒温化学变化过程的熵变随着温度趋于0K而趋于零”，此为 Nernst 热定理0)0(0)(lim0KSTSrrKT对于计算纯物质间假象的化学变化的熵变提供了方便。2022-3-20)0 ,(),()(KBSTBSvTSmmBBmr此式表明：温度T下假想的纯态物质化学变化的摩尔反应熵等于参加反应的各种纯物质在温度T的摩尔熵和0K的摩尔熵之差与其化学计量数的乘积之和。时的摩尔熵。代表该纯物质在的摩尔熵，度代表了任意纯物质在温0K)0 ,(T),(KBSTBSmm2022-3-20（3）“在0 K时，纯物质完美晶体（只有一种排列方式）的熵等于零。”热力学第三

29、定律有多种表述方式：（2）在温度趋近于热力学温度0 K时的等温过程中，体系的熵值不变，这称为Nernst 热定理。即：（1）“不能用有限的手续把一个物体的温度降低到0 K”，即只能无限接近于0 K这极限温度。2022-3-200)0K,(S0)T(limm0完美晶体完美晶体，mKTS完完美美晶晶体体：组组成成晶晶体体的的原原子子和和分分子子，形形成成有有 规规律律的的点点阵阵结结构构，只只有有一一种种排排列列 方方式式（微微观观）例例：NONONONO ONONONON实实际际上上0K 时时完完美美晶晶体体的的排排列列不不是是一一种种方方式式2022-3-20 在第三定律的基础上相对于S*B（

30、0K，完美晶体）=0，求得纯物质B在某一状态的熵为该物质B在该状态的规定熵。 在标准态下温度T时的规定熵，则称为物质在T时的标准熵。S 规定在0K时完整晶体的熵值为零，从0K到温度T进行积分，这样求得的熵值称为规定熵。若0K到T之间有相变，则积分不连续。2022-3-20 将0K下的完美晶体，在100kPa下加热到温度T，由固、气态时的T)S)(TH)(TH)(T, gS,T, gST,HT,HT),(),(),(m,bmvap,mfus0,mmmvapbmfus,ff（）（）（时的温度即可求得该气体物质在下的下的在pggTTmpTTmpTmpmpmpmpbbffTdTgCTdTlCTdTsC

31、gClCsC2022-3-20BmBmrBSvS)( 某温度下化学变化的标准摩尔反应熵等于同样温度各自处在纯态的标准摩尔熵与其化学计量数的乘积之和。2022-3-20在标准压力下，求反应温度T时的熵变值。298.15K时的熵变值从查表得到：21,1mr2mrTSTSTTmprTdTC）（）（通常设计途径时，将T1定为298.15K2022-3-20 热力学第一定律导出了热力学能这个状态函数，为了处理热化学中的问题，又定义了焓。 热力学第二定律导出了熵这个状态函数，但用熵作为判据时，体系必须是孤立体系，也就是说必须同时考虑体系和环境的熵变，这很不方便。 通常反应总是在等温、等压或等温、等容条件下

32、进行，有必要引入新的热力学函数，利用体系自身状态函数的变化，来判断自发变化的方向和限度。2022-3-20 亥姆霍兹（von Helmholz, H.L.P.,18211894,德国人）定义了一个状态函数 def AUTSA称为亥姆霍兹自由能（Helmholz free energy），是状态函数，具有容量性质。单位是J。其值也仅由系统的状态决定。由于内能的绝对值无法确定，因而A的绝对值也无法得知。2022-3-200)()()()()()()(TTSUTUSTQSSSS体系体系环境体系环境体系封闭体系与环境组合在一起成为孤立体系。对于孤立体系自发过程：0)()(环境体系SSS对于恒温、恒容，

33、无非体积功的条件下，T(环境)=T（体系），Q(环境)=-Q(体系)，体系的W=0，Q(体系)=U2022-3-20表示可逆，平衡表示不可逆，自发亥姆赫兹判据：00,WVTA2022-3-20rTrTrWAWdAQdUTdSdUTSUddA)(恒温可逆下因可逆热等于TdS恒温可逆过程系统亥姆赫兹函数变化等于过程的可逆功。2022-3-20rrrrrrWAWdAWQWQdUTdSdUTSUddAVT,VT,pdV)(恒温恒容可逆条件下恒温恒容可逆过程系统亥姆赫兹函数变化等于过程的可逆非体积功。2022-3-20对于恒温、恒压，无非体积功的自发过程，T(环境)=T(体系)，Q(环境)=-Q(体系)

34、=-H(体系)0)()()()()()()(TTSHTHSTQSSSS体系体系环境体系环境体系 def GHTSG称为吉布斯自由能（Gibbs free energy），是状态函数，具有容量性质。单位是J。G的绝对值无法确定。2022-3-20pVATSpVUTSHG吉布斯判据：表示可逆，平衡表示不可逆，自发00,WPTG2022-3-20rTrTWGWdGVVnRTTdSdHTSHddG)/ln()(12恒温可逆下因可逆热等于TdS恒温可逆过程系统吉布斯函数变化等于过程的可逆功。2022-3-20rrrrrrWGWdGWQpdVWQpdVdUdHTdSdHTSHddGVT,VT,pdV)(恒

35、温恒压可逆条件下恒温恒压可逆过程系统吉布斯函数变化等于过程的可逆非体积功。2022-3-20函数函数 系统或过程系统或过程 判据判据 S孤立系统孤立系统平衡态 0 0 S 0 自发A 封闭系统封闭系统 dT =0,dV=0,W=0平衡态 0 0 A 0 自发G 封闭系统封闭系统 dT =0,dp=0,W=0平衡态 0 0 G 0 自发2022-3-20 （1）恒温过程）恒温过程 纯物系统从始态保持温度恒定变化到终态，纯物系统从始态保持温度恒定变化到终态， 当变化过程无非体积功，同时过程为可逆时当变化过程无非体积功，同时过程为可逆时 上两式适用于无非体积功的封闭系统发生的恒温简单上两式适用于无非

36、体积功的封闭系统发生的恒温简单状态变化过程。状态变化过程。 对于理想气体：对于理想气体：GHTSdGdHTdSSdTdUVdppdVTdSSdTndUQp dVTdSpdVdGVdp21ppGVdp22112112lnlnpppppVnRTGVdpdpnRTnRTppV4 4、恒温过程、恒温过程AA和和GG的计算的计算2022-3-20 在恒温时有：在恒温时有： GT = H TS AT = U TS 1）理想气体恒温膨胀压缩过程）理想气体恒温膨胀压缩过程 U =0，H=04 4、恒温过程、恒温过程AA和和GG的计算的计算）所以12T12T1212/ln(TG)/ln(TA)/ln()/ln(

37、ppnRVVnRppnRVVnRS凝聚态物质恒温变压过程，在压力改变不大时，AG分别近似等于0或可以忽略2022-3-20 2）恒温恒压可逆相变 G = H TS 因为因为H = TS 则则 G = 0 A= G pV 得得 A= p V凝聚态之间的相变，如熔化、晶型转变，因为体积变化不大，所以A0。对于有气相参与的相变，则。对于有气相参与的相变，则A= |n(g)|RT2022-3-20 3)化学变化过程的吉布斯函数mrmrmrSTHG标准摩尔反应吉布斯函数，指反应物和产物各自在纯态及标准压力下的摩尔反应吉布斯函数2022-3-20mfBBmrGvG标准摩尔反应吉布斯函数还可以由标准摩尔生成

38、吉布斯函数得来。热力学稳定的单质的标准摩尔生成吉布斯函数等于0。BvBB02022-3-202022-3-20dQST代入上式即得。dddUT Sp V(1) 这是热力学第一与第二定律的联合公式，适用于组成恒定、不作非膨胀功的封闭体系。 虽然用到了的公式，但适用于任何可逆或不可逆过程，因为式中的物理量皆是状态函数，其变化值仅决定于始、终态。但只有在可逆过程中 才代表，才代表 。dQT SSTdRQdp VeW公式（1）是四个基本公式中最基本的一个。ddUQp V 因为2022-3-20ddddHUp VV pVpSTUdddpVUH因为pVSTHddd所以dddHT SV p(2)2022-3

39、-20TSSTUAddddVpSTUdddTSUA因为dddAS Tp V (3)VpTSAddd所以2022-3-20(4)dddGS TV p 因为TSHGTSSTHGddddpVSTHdddpVTSGddd所以2022-3-20VpSTUddd(1)pVSTHddd(2)VpTSAddd(3)pVTSGddd(4)不仅适用于无相变化、无化学变化的平衡系统（纯物质或多组分、单相获多相）发生的单纯PVT变化的可逆过程，也适用于相平衡和化学平衡同时发生PVT变化及相变化和化学变化的可逆过程。2022-3-20 2 由热力学基本方程计算纯物质由热力学基本方程计算纯物质PVT变化的变化的AGAGV

40、pTSAddd(1)pVTSGddd(2)VpATddpVGTdd）12T12T/ln(TG)/ln(TAppnRVVnR2022-3-20 凝聚态间的化学反应若各反应物和各产凝聚态间的化学反应若各反应物和各产物为纯态时，在恒温改变压力，每一种物为纯态时，在恒温改变压力，每一种纯物质均有纯物质均有dG=Vdp,则有则有dpVGdmrmr)()()()()(ZzVYyVBbVAaVBVvVmmmmmBBmr2022-3-20)(ppVGdpVGGmrmrppmrmrmr0mrV物质的压力从标准压力变到某一个压力P时，则该压力下的摩尔反应吉布斯函数凝聚系统中，mrmrGG2022-3-20 恒容变

41、温过程恒容变温过程 dA=-SdT 恒压变温过程恒压变温过程 dG=-SdT 由于熵的绝对值不知道，所以不能用规由于熵的绝对值不知道，所以不能用规定熵带入积分。定熵带入积分。 但是讨论恒压下温度对于相变化、化学但是讨论恒压下温度对于相变化、化学变化过程吉布斯函数的影响时变化过程吉布斯函数的影响时 dG=-SdT2022-3-20 则用上式积分得则用上式积分得dTSTGTGTT2112)()(2022-3-203.38JdpdpBVdpAVGGGGMPakPapppp386. 57 .9162 .99910) 1 . 08 .59)(7 .9162 .999()7 .91612 .9991()(

42、0)(68 .591003211221变压、等温过程A相p1B相p1A相p2B相p2G不可逆可逆1G2G3G注：如果有气态，其中V便不是常数，用V=nRT/p代入积分。2022-3-20 1 克拉佩龙方程克拉佩龙方程 根据吉布斯函数判据，在两相平衡温根据吉布斯函数判据，在两相平衡温度度T和和p下，两相的摩尔吉布斯函数应该下，两相的摩尔吉布斯函数应该相等。相等。2022-3-20由相变化到相：B(T1,p1)B(T1,p1)B(T2,p2)B(T2,p2)G1=0G2=0dGm()dGm()d Gm()= dGm()-Sm()dT+Vm()dp=- Sm()dT+Vm()dp2022-3-20m

43、mmmmmmmSVdpdT)(V)(VV)(S)(SS得令mmmmHVTdpdT/THS所以因为-克拉佩龙方程2022-3-20 2 固固-液平衡和固液平衡和固-固平衡固平衡 熔化平衡和晶型转变平衡的共同点是均为熔化平衡和晶型转变平衡的共同点是均为凝聚态，摩尔相体积差很小，熔化平衡焓凝聚态，摩尔相体积差很小，熔化平衡焓变大。变大。)(HVTTlndpHVTdT12mm12mmppfusfusfusfus近似认为摩尔相体积差和近似认为摩尔相体积差和熔化平衡焓变与温度压力无关。熔化平衡焓变与温度压力无关。则温度压力变化时，则温度压力变化时，2022-3-20所以变不大时，因为若压力改变后，熔点改则111211212TT)TTln(1T