焓、熵、吉布斯的问题,请详细解释一下热焓H、熵S、吉布斯自由能G的定义,以及定义这些量的用途,或者说是目的.

来源:学生作业帮助网 编辑:作业帮 时间:2024/06/16 03:33:48
焓、熵、吉布斯的问题,请详细解释一下热焓H、熵S、吉布斯自由能G的定义,以及定义这些量的用途,或者说是目的.

焓、熵、吉布斯的问题,请详细解释一下热焓H、熵S、吉布斯自由能G的定义,以及定义这些量的用途,或者说是目的.
焓、熵、吉布斯的问题,
请详细解释一下热焓H、熵S、吉布斯自由能G的定义,以及定义这些量的用途,或者说是目的.

焓、熵、吉布斯的问题,请详细解释一下热焓H、熵S、吉布斯自由能G的定义,以及定义这些量的用途,或者说是目的.
焓是一个热力学系统中的能量参数.规定由字母H(单位:焦耳,J)表示,H来自于英语 Heat Capacity(热容)一词.此外在化学和技术文献中,摩尔焓 Hm(单位:千焦/摩尔 KJ/mol)和特别焓 h(单位:千焦/千克 KJ/Kg)也非常重要,它们描述了焓在物质的量 n 和物质质量 m 上的定义.焓是内能和体积的勒让德变换.它是SpN总合的热势能.
在介绍焓之前我们需要了解一下分子热运动、热力学能和热力学第一定律:
1827年,英国植物学家布朗把非常细小的花粉放在水面上并用显微镜观察,发现花粉在水面上不停地运动,且运动轨迹极不规则.起初人们以为是外界影响,如振动或液体对流等,后经实验证明这种运动的的原因不在外界,而在液体内部.原来花粉在水面运动是受到各个方向水分子的撞击引起的.于是这种运动叫做布朗运动,布朗运动表明液体分子在不停地做无规则运动.从实验中可以观察到,布朗运动随着温度的升高而愈加剧烈.这表示分子的无规则运动跟温度有关系,温度越高,分子的无规则运动就越激烈.正因为分子的无规则运动与温度有关系,所以通常把分子的这种运动叫做分子的热运动.
在热学中,分子、原子、离子做热运动时遵从相同的规律,所以统称为分子[1].
既然组成物体的分子不停地做无规则运动,那么,像一切运动着的物体一样,做热运动的分子也具有动能.个别分子的运动现象(速度大小和方向)是偶然的,但从大量分子整体来看,在一定条件下,它们遵循着一定的统计规律,与热运动有关的宏观量——温度,就是大量分子热运动的统计平均值.分子动能与温度有关,温度越高,分子的平均动能就越大,反之越小.所以从分子动理论的角度看,温度是物体分子热运动的平均动能的标志(即微观含义,宏观:表示物体的冷热程度).
分子间存在相互作用力,即化学上所说的分子间作用力(范德华力).分子间作用力是分子引力与分子斥力的合力,存在一距离r0使引力等于斥力,在这个位置上分子间作用力为零.分子引力与分子斥力都随分子间距减小而增大,但是斥力的变化幅度相对较大,所以分子间距大于r0时表现为引力,小于r0时表现为斥力.因为分子间存在相互作用力,所以分子间具有由它们相对位置决定的势能,叫做分子势能.分子势能与弹簧弹性势能的变化相似.物体的体积发生变化时,分子间距也发生变化,所以分子势能同物体的体积有关系.
物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的热力学能,也叫做内能.热力学能与动能、势能一样,是物体的一个状态量.
初中我们学过,改变物体内能的方式有两个:做功和热传递.
一个物体,如果它跟外界不发生热交换,也就是它既没有吸收热量也没有放出热量,则外界对其做功等于其热力学能的增量:
ΔU1=W
如果物体对外界做功,则W为负值,热力学能增加量ΔU1也为负值,表示热力学能减少.
如果外界既没有对物体做功,物体也没有对外界做功,那么物体吸收的热量等于其热力学能的增量:
ΔU2=Q
如果物体放热,则Q为负值,热力学能增加量ΔU2也为负值,表示热力学能减少.
一般情况下,如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程,那么物体热力学能的增量等于外界对物体做功加上物体从外界吸收的热量,即:
ΔU=ΔU1+ΔU2=Q+W
因为热力学能U是状态量,所以:
ΔU=ΔU末态-ΔU初态=Q+W
上式即热力学第一定律的表达式.
化学反应都是在一定条件下进行的,其中以恒容与恒压最为普遍和重要.
在密闭容器内的化学反应就是恒容过程.因为系统体积不变,而且只做体积功(即通过改变物体体积来对物体做功,使物体内能改变,如在针管中放置火柴头,堵住针头并压缩活塞,火柴头会燃烧),所以W=0,代入热一定律表达式得:
ΔU=Q
它表明恒容过程的热等于系统热力学能的变化,也就是说,只要确定了过程恒容和只做体积功的特点,Q就只决定于系统的初末状态.
在敞口容器中进行的化学反应就是恒压过程.所谓恒压是指系统的压强p等于环境压强p外,并保持恒定不变,即p=p外=常数.由于过程恒压和只做体积功,所以:
W=W体积=-p外(V2-V1)=-(p2V2-p1V1)
其中W为外界对系统做的功,所以系统对外做功为负.压强乘以体积的改变量是系统对外做的功,可以按照p=F/S,V=Sh,∴Fh=pV来理解.
将其代入热一定律表达式得:
Q=ΔU-W=U2-U1+(p2V2-p1V1)=(U2+p2V2)-(U1+p1V1)
因为U+pV是状态函数(即状态量)的组合(即一个状态只有一个热力学能U,外界压强p和体积V),所以将它定义为一个新的状态函数——焓,并用符号H表示,所以上式可变为:
Q=H2-H1=ΔH
它表明恒压过程中的热等于系统焓的变化,也就是说,只要确定了过程恒压和只做体积功的特点,Q就只决定于系统的初末状态.
焓的物理意义可以理解为恒压和只做体积功的特殊条件下,Q=ΔH,即反应的热量变化.因为只有在此条件下,焓才表现出它的特性.例如恒压下对物质加热,则物质吸热后温度升高,ΔH>0,所以物质在高温时的焓大于它在低温时的焓.又如对于恒压下的放热化学反应,ΔHW非 反应以不可逆方式自发进行
=W非 反应以可逆方式进行

H=U+PV,S=Q/T,G=H-TS,
其中熵是一种基本物理量,本身有比较明确的意义。也就是熵增原理了。
而焓呢?本身没有意义。定义这个,不过是为了计算方便而已~~~也就是等压条件下求焓变了~~~
吉布斯自由能也是一样~~~因为熵增原理太大了。实际用起来比较麻烦。于是根据具体条件将熵增原理变为容易使用的,也就是吉布斯自由能了。
定义这些量的用途,因为这些都是状态函...

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H=U+PV,S=Q/T,G=H-TS,
其中熵是一种基本物理量,本身有比较明确的意义。也就是熵增原理了。
而焓呢?本身没有意义。定义这个,不过是为了计算方便而已~~~也就是等压条件下求焓变了~~~
吉布斯自由能也是一样~~~因为熵增原理太大了。实际用起来比较麻烦。于是根据具体条件将熵增原理变为容易使用的,也就是吉布斯自由能了。
定义这些量的用途,因为这些都是状态函数。可以帮助我们较科学的确定判断未来的走向。如果用在化学反应上,是放热还是吸热呢?能否自发进行呢?等等问题,有助于我们预测分析~总不能瞎猜嘛~~~
特别是用在未知领域时,如科研实验。因为你根本就不知情况怎么样的,未知的~于是你就可以根据这些量提前进行分析预测了~~~
当然,对于学生来说,主要是用来考试作题目,用来加深对这些量的理解。为以后的科研实验或什么的打下基础。

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布斯自由能又叫吉布斯函数,是热力学中一个重要的参量,常用 G 表示,它的定义是:
G = U − TS + pV = H − TS
其中 U 是系统的内能,T 是温度,S 是熵,p 是压强,V 是体积,H 是焓。
吉布斯自由能的微分形式是:
dG = − SdT + Vdp + μdn
其中μ是化学势。

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布斯自由能又叫吉布斯函数,是热力学中一个重要的参量,常用 G 表示,它的定义是:
G = U − TS + pV = H − TS
其中 U 是系统的内能,T 是温度,S 是熵,p 是压强,V 是体积,H 是焓。
吉布斯自由能的微分形式是:
dG = − SdT + Vdp + μdn
其中μ是化学势。
吉布斯自由能的物理含义是在等温等压过程中,除体积变化所做的功以外,从系统所能获得的最大功。换句话说,在等温等压过程中,除体积变化所做的功以外,系统对外界所做的功只能等于或者小于吉布斯自由能的减小。数学表示是:
如果没有体积变化所做的功,即 W=0,上式化为:
也就是说,在等温等压过程前后,吉布斯自由能不可能增加。如果发生的是不可逆过程,反应总是朝着吉布斯自由能减少的方向进行。
特别地,吉布斯自由能是一个广延量,单位摩尔物质的吉布斯自由能就是化学势μ
建议去查阅大一化学,会有的

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