《物理化学电子教案第三章精编版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理化学电子教案第三章精编版（157页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理化学电子教案第三章,第三章 热力学第二定律,3.1 自发变化的共同特征,3.2 热力学第二定律,3.3 卡诺循环与卡诺定理,3.4 熵的概念,3.5 克劳修斯不等式与熵增加原理,3.6 熵变的计算,3 7 热力学第二定律的本质和熵的统计意义,3.8 亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能,第三章 热力学第二定律,3.9 变化的方向和平衡条件,3.10 几个热力学函数间的关系,3.0问题的提出,热力学第一定律主要解决能量转化及在转化过程 中各种能量具有的当量关系，但热力学第一定律无法 确定过程的方向和平衡点，这是被历史经验所证实的 结论。 十九世纪，汤姆荪（Thomsom）和贝塞罗特 （Berthlo
2、t）就曾经企图用H的符号作为化学反应 方向的判据。他们认为自发化学反应的方向总是与放 热的方向一致，而吸热反应是不能自动进行的。虽然 这能符合一部分反应，但后来人们发现有不少吸热反,3.0问题的提出,应也能自动进行，如众所周知的水煤气反应 就是一例。这就宣告了此结论的失败。可见，要 判断化学反应的方向，必须另外寻找新的判据。 自发变化 在一定条件下，某种变化有自动发生 的趋势，一旦发生就无需借助外力，可以自动进 行，这种变化称为自发变化。 其特征在于过程中无须外力干预即能自动进行。 自发变化的共同特征不可逆性（即一去不复 还） 任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。,3.1自发变化的共同特征,
3、例如：,(1) 水往低处流；（有势差存在）,(2) 气体向真空膨胀；（有压力差存在）,(3) 热量从高温物体传入低温物体；（有温差存在）,(4)浓度不等的溶液混合均匀；（存在着浓差）,(5)锌片与硫酸铜的置换反应等，（存在着化学势差）,它们的逆过程都不能自动进行。当借助外力，体系恢复原状后，会给环境留下不可磨灭的影响。（后果不可消除）,3.2 热力学第二定律（The Second LawofThermodynamics）,热力学第二定律的几种说法是在总结众多自发过 程的特点之后提出来的。 后果不可消除原理 它是自发过程不可逆性的一种较为形象的描述， 其内容是： 任意挑选一自发过程，指明它所产生
4、的后果不论用什 么方法都不能令其消除，即不能使得发生变化的体 系和环境在不留下任何痕迹的情况下恢复原状。,3.2 热力学第二定律（The Second Law of Thermodynamics）,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：是一种热机，它只是从单一热源吸热使之完全变为功而不留下任何影响。,3.2 热力学第二定律（The Second Law oT
5、hermodynamics）,说明：1.各种说法一定是等效的。若克氏说法不成 立，则开氏说法也一定不成立； 2.要理解整个说法的完整性切不可断章取义。如 不能误解为热不能转变为功，因为热机就是一种把 热转变为功的装置；也不能认为热不能完全转变为 功，因为在状态发生变化时，热是可以完全转变为 功的（如理想气体恒温膨胀即是一例） 3.虽然第二类永动机并不违背能量守恒原则，但它 的本质却与第一类永动机没什么区别。,3.3卡诺循环（Carnot cycle）,1824 年，法国工程师N.L.S.Carnot (17961832)设计了一个循环，以理想气体为工作物质，从高温热源 吸收的热量 ，一部分通过
6、理想热机用来对外做功W，另一部分 的热量放给低温 热源。这种循环称为卡诺循环。,卡诺循环（Carnot cycle）,1mol 理想气体的卡诺循环在pV图上可以分为四步：,过程1：等温 可逆膨胀由 到,所作功如AB曲线下的面积所示。,卡诺循环（Carnot cycle）,过程2：绝热可逆膨胀由 到,所作功如BC曲线下的面积所示。,卡诺循环（Carnot cycle）,过程3：等温(TC)可逆压缩由 到,环境对体系所作功如DC曲线下的面积所示,卡诺循环（Carnot cycle）,过程4：绝热可逆压缩由 到,环境对体系所作的功如DA曲线下的面积所示。,卡诺循环（Carnot cycle）,整个循
7、环：,是体系从高温热源所吸的热，为正值，,是体系放给低温热源的热，为负值。,即ABCD曲线所围面积为 热机所作的功。,卡诺循环（Carnot cycle）,过程2：,过程4：,相除得,根据绝热可逆过程方程式,热机效率(efficiency of the engine ),任何热机从高温 热源吸热 ,一部分转化为功W,另一部分 传给低温 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。,或,冷冻系数,如果将卡诺机倒开,就变成了致冷机.这时环境对体系做功W,体系从低温 热源吸热 ,而放给高温 热源 的热量，将所吸的热与所作的功之比值称为冷冻系数，用 表示
8、。,式中W表示环境对体系所作的功。,热泵 热泵的工作原理与冷机相同，但其目的不是 制冷，而是将低温热源的热（如大气、大海）用泵 传至高温场所利用。例如要将温度为0室外大气 中1kJ的热“泵”至温度为20的室内使用，则所需功 为 只相当于直接用电热器加热所耗电量的十三分之一。,热泵,卡诺定理,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。,卡诺定理的意义：（1）引入了一个不等号 ，原则上解决了化学反应的方向问题；（2）解决了热机效率的极限值问题。,卡
9、诺定理,证明： 实际） 1.设有一任意热机I和一可逆热机R，其热机效率分别为（I） 和（R），且有（I） （R） 现将两热机同置于两个热源之间，让热机I从高温热源吸热 Q（h），做功W（I），并放热 给低温热源。随后从 W （I）中取出W（R）驱动R反转。这样，R从低温热源吸热Q （C）并将Q（h）传给高温热源。 综合上述结果，高温热源复原，而低温热源失热 而环境得功W（I） W（R），这相当于从单一热源吸热转 变为功而没有引起任何其它变化，它与开氏说法相矛盾。,卡诺定理,2.设有两个可逆热机 (实际)工作于同样 的两个热源之间,若以R(1)带动R(2)使其逆转,则应有 若以R(2)带动R(1
10、)使其逆转,则应有 要同时满足上述两式,必然要求,3.4 熵的概念,从卡诺循环得到的结论,任意可逆循环的热温商,熵的引出,熵的定义,从卡诺循环得到的结论,或：,即卡诺循环中，热效应与温度商值的加和等于零。,任意可逆循环的热温商,证明如下：,任意可逆循环热温商的加和等于零,即：,同理，对MN过程作相同处理，使MXOYN折线所经过程作的功与MN过程相同。VWYX就构成了一个卡诺循环。,或,(2)通过P，Q点分别作RS和TU两条可逆绝热膨胀线，,(3)在P，Q之间通过O点作等温可逆膨胀线VW，使两个三角形PVO和OWQ的面积相等，,这样使PQ过程与PVOWQ过程所作的功相同。,任意可逆循环的热温商,
11、任意可逆循环的热温商,从以上图中可得： 同时，由于U是状态函数， 同理可得：,任意可逆循环的热温商,用相同的方法把任意可逆循环分成许多首尾连接的小卡诺循环，前一个循环的绝热可逆膨胀线就是下一个循环的绝热可逆压缩线，如图所示的虚线部分，这样两个过程的功恰好抵消。,从而使众多小卡诺循环的总效应与任意可逆循环的封闭曲线相当，所以任意可逆循环的热温商的加和等于零，或它的环程积分等于零。,任意可逆循环的热温商,熵的引出,用一闭合曲线代表任意可逆循环。,可分成两项的加和,在曲线上任意取A，B两点，把循环分成AB和BA两个可逆过程。,根据任意可逆循环热温商的公式：,熵的引出,说明任意可逆过程的热温商的值决定
12、于始终状态，而与可逆途径无关，这个热温商具有状态函数的性质。,移项得：,任意可逆过程,熵的定义,Clausius根据可逆过程的热温商值决定于始终态而与可逆过程无关这一事实定义了“熵”（entropy）这个函数，用符号“S”表示，单位为：,对微小变化,这几个熵变的计算式习惯上称为熵的定义式，即熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量。,或,设始、终态A，B的熵分别为 和 ，则：,3.5 Clausius 不等式与熵增加原理,Clausius 不等式,熵增加原理,Clausius 不等式的意义,Clausius 不等式,设温度相同的两个高、低温热源间有一个可逆机和一个不可逆机。,根据卡诺定理：,则,
13、推广为与多个热源接触的任意不可逆过程得：,则：,Clausius 不等式,或,设有一个循环， 为不可逆过程， 为可逆过程，整个循环为不可逆循环。,则有,如AB为可逆过程,将两式合并得 Clausius 不等式：,Clausius 不等式,这些都称为 Clausius 不等式，也可作为热力学第二定律的数学表达式。,或,是实际过程的热效应，T是环境温度。若是不可逆过程，用“”号，可逆过程用“=”号，这时环境与体系温度相同。,对于微小变化：,Clausius 不等式,说明: 1. 2.可以证明， 具有全微分的性质。 从热力学第一定律可得 令,Clausius 不等式,熵增加原理,对于绝热体系，所以C
14、lausius 不等式为,等号表示绝热可逆过程，不等号表示绝热不可逆过程。熵增加原理可表述为：在绝热条件下，趋向于平衡的过程使体系的熵增加。或者说在绝热条件下，不可能发生熵减少的过程。 说明：由于绝热不可逆过程既可以是自发，也可以是非 自发。因此，无法用S 判断过程的方向。,如果是一个孤立体系，环境与体系间既无热的交换，又无功的交换，则熵增加原理可表述为：一个孤立体系的熵永不减少。,Clausius 不等式的意义,Clsusius 不等式引进的不等号，在热力学上可以作为变化方向与限度的判据。,“” 号为不可逆过程 “=” 号为可逆过程,“” 号为自发过程 “=” 号为处于平衡状态,因为隔离体系
15、中一旦发生一个不可逆过程，则一定是自发过程。,Clausius 不等式的意义,有时把与体系密切相关的环境也包括在一起，用来判断过程的自发性，即：,“” 号为自发过程 “=” 号为可逆过程 注意：熵是体系的性质，体系的熵变为可逆过程的热温商，而S（环境）则不然，它应等于实际过程 的热温商。,36 熵变的计算,计算要点 1.体系熵变必须沿可逆过程求其热温商； 2.环境熵变必须沿实际过程求其热温商，且体系热 与环境热大小相同，符号相反； 3.判断过程的方向必须用总熵变，绝热时可用体系 熵变； 4.计算体系熵变的基本公式：,等温过程的熵变,(1)理想气体等温变化,(2)等温等压可逆相变（若是不可逆相变
16、，应设计可逆过程）,(3)理想气体（或理想溶液）的等温混合过程，并符合分体积定律，即,等温过程的熵变,例1：1mol理想气体在等温下通过：(1)可逆膨胀，(2)真空膨胀，体积增加到10倍，分别求其熵变。,解：（1）可逆膨胀,（1）为可逆过程。,熵是状态函数，始终态相同，体系熵变也相同，所以：,等温过程的熵变,（2）真空膨胀,但环境没有熵变，则：,（2）为不可逆过程,等温过程的熵变,例2：求下述过程熵变。已知H2O（l）的汽化热为,解:,如果是不可逆相变，可以设计可逆相变求 值。,等温过程的熵变,例3：在273 K时，将一个 的盒子用隔板一分为二，一边放 ，另一边放 。,解法1：,求抽去隔板后，两种气体混合过程的熵变？,等温过程的熵变,对固体或液体等凝聚态，dV=0，dU=0，因此，
