Уровень: Основной текст Подробнее Примеры Глоссарии: ... Глоссарий

Условия равновесия

Рассмотрим три примера:

Пример 1. Сгорание водорода и образование воды

Пример 2. Образование окиси азота

Пример 3. Плавление кристалла и испарение жидкости

Пример 1. Сгорание водорода и образование воды

Рассмотрим химическую реакцию окисления при сгорании водорода и образовании воды

Происходит понижение свободной энергии газов G < 0 и ее выделение в форме тепла 236760 Дж/моль при образовании воды. Понижение свободной энергии - необходимое условие химической реакции, но это условие недостаточное: термодинамика лишь говорит, что процесс может пойти или не пойти.

Пример 2. Образование окиси азота

Рассмотрим реакцию соединения кислорода O₂ с азотом N₂

в обычных условиях не пойдет, т. к. G<0, а обратная реакция

идет с понижением свободной энергии G<0, т. е. она принципиально возможна.

Модель такой реакции приведена на рис. 1. Термодинамика говорит, что рано или поздно жидкость из верхнего сосуда перетечет в нижний сосуд, т. е. жидкость течет не вверх, а вниз. Условие достаточное моделируется краном: если он закрыт, то процесс не реализуется сколь угодно долго, хотя положение верхней жидкости термодинамически не равновесно.

Пример 3. Плавление кристалла и испарение жидкости

На рис. 2 изображена замкнутая система, в которой благодаря поглощаемому теплу кристаллы льда превращаются в газ. В первом сосуде лед при t=0^oC начинает плавиться, и температура при этом не меняется; дальше нагревается вода до t=100^oC (p=1 атм.), температура далее не повышается, пока вода не превратится в пар. Для воды теплота плавления H_пл=6000 Дж/моль; теплота парообразования H_пар =40000 Дж/моль, т. е. H_пар>H_пл.

Плавление льда "энтропийно выгодный" процесс, т. к. неупорядоченное состояние атомов более вероятно, чем упорядоченное, поэтому энтропия жидкости (ж) и кристалла (кр) подчиняется неравенству S_ж>S_кр, однако H_ж<H_кр . Чтобы расплавить кристалл, надо разорвать часть межмолекулярных связей.

Состояние газа (г) более вероятно, чем состояние жидкости, но H_г>H_ж.

Найдем термодинамическое условие фазового перехода от кристалла к жидкости

Из этой зависимости найдем температуру плавления

.

Найдем S для воды и пара

Если бы изменение энтропии кристалла и жидкости совпадали бы, т. е. S = 0, то Т_пл стремится к бесконечности и плавления не было бы.

Изменение энтропии при фазовом переходе определяет саму возможность фазовых переходов. Не было бы изменения энтропии - не было бы нашего мира.

Повторим, что в гигантской фабрике естественных процессов природы энтропия выполняет роль директора, который предписывает вид и течение всех сделок, а закон сохранения энергии занимает место бухгалтера, который приводит в равновесие дебет и кредит.

Назад