Loading...
 
Chemia ogólna
Pod redakcją:Halina Krawiec
Autorzy/Autorki:Zbigniew Szklarz, Alicja Łukaszczyk, Bartosz Grysakowski, Maria Starowicz, Dominika Święch, Halina Krawiec, Edyta Proniewicz
Afiliacja autorów:AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Odlewnictwa
Wydawca:Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie
Data publikacji:2018
Recenzja: dr hab. Grzegorz Sulka, prof. UJ
dr hab. Lidia Adamczyk
ISBN:978-83-952566-4-6

Chemia ogólna
Rozdział 3. Klasyfikacja chemicznych związków nieorganicznych i ich nomenklatura
Zależności między funkcjami termodynamicznymi

Znajomość funkcji stanu: \( U, H, S, F, G \), a ściślej ich zmian, odgrywa zasadnicza rolę w określaniu warunków równowagi, jak i warunków przebiegu procesów samorzutnych. Związki między funkcjami termodynamicznymi przedstawia Rys. 1.

Związki pomiędzy funkcjami termodynamicznymi.
Rysunek 1: Związki pomiędzy funkcjami termodynamicznymi.

Łatwo z niego odczytać zależności, np:

\( H = U + pV \)
\( F = U - TS \)
\( G = H - TS \)
\( G = F + pV \)


W czasie przebiegu reakcji chemicznej w układzie następuje zmiana składu układu i funkcje termodynamiczne stają się funkcjami składników układu. Zatem w celu termodynamicznego opisu reakcji chemicznej posługujemy się przyrostami \( \Delta U^r, \Delta H^r, \Delta S^r, \Delta F^r, \Delta G^r \). Funkcje te obliczamy przy założeniu, że molowe ilości składników przereagowały zgodnie z reakcją chemiczną, a najczęściej przyjmujemy, że liczba postępu reakcji wynosi \( \lambda = 1 \). Zakładamy również, że reagujące substancje są w swoich stanach standardowych. Oznacza to, że funkcje termodynamiczne reakcji chemicznych nie zależą od składu i w związku z tym spełniają analogiczne równania jak funkcje stanu czystych związków.
W celu obliczania zmian funkcji termodynamicznych musimy mieć możliwość wyrażenia ich pochodnych poprzez mierzalne wielkości fizykochemiczne. Musimy zatem poznać związki, jakie występują pomiędzy tymi funkcjami. Załóżmy, że rozważana przemiana jest quasi-statyczna i nie występuje praca nieobjętościowa, a układ jest jednofazowy o stałym składzie lub stałym stopniu przereagowania, a więc:

\( \overline {W_{el}} = 0, \ W_{el} = -pdV, \ Q_{el} = Tds \)

Funkcje termodynamiczne takiego układu mogą być wyrażone za pomocą dwóch zmiennych niezależnych. Pierwsza zasada termodynamiki przyjmuje zatem, zgodnie z równaniem \( dU =Q_{el} - pdv + \overline{W_{el}} \), dla układów zawierających \( 1 mol \) substancji (lub \( \lambda = 1 \)) ma następującą postać:

\( dU = TdS - pdV \)

Natomiast zgodnie z równaniem ( \( dH = Q_{el} + vdp +\overline {W_{el}} \)):

\( dH = TdS + Vdp \)

Z definicji energii swobodnej: \( F = U – Ts \) wynika, że:

\( dF = dU - TdS - SdT \)

A podstawiając w miejsce \( dU \) równanie ( 2 ), będziemy mogli napisać:

\( dF = -SdT - pdV \)

Analogicznie, zgodnie z definicją entalpii: \( G = H – TS \), otrzymujemy:

\( dG = dH - TdS - SdT \)

Eliminując \( dH \) zgodnie z równaniem ( 3 ) mamy:

\( dG = -SdT + Vdp \)

Przedstawione powyżej funkcje stanu, jak widać, są funkcjami dwóch zmiennych, co można wyrazić za pomocą różniczki cząstkowej:

\( dU = (\frac{\partial U}{\partial S})_{v} \ dS + (\frac{\partial U}{\partial V})_{S} \ dV \)

\( dH = (\frac{\partial H}{\partial S})_{p} \ dS + (\frac{\partial H}{\partial p})_{S} \ dp \)

\( dF = (\frac{\partial F}{\partial T})_{v} \ dT + (\frac{\partial F}{\partial V})_{T} \ dV \)

\( dG = (\frac{\partial G}{\partial T})_{p} \ dT + (\frac{\partial G}{\partial p})_{T} \ dp \)

Porównując odpowiednia równania ( ( 2 ) - ( 7 ) ) i ( ( 8 ) - ( 11 ) ) uzyskujemy bardzo ważne związki:

\( (\frac{\partial U}{\partial S})_{v} = T \)

\( (\frac{\partial U}{\partial V})_{S} = - p \)

\( (\frac{\partial H}{\partial S})_{p} = T \)

\( (\frac{\partial H}{\partial p})_{S} = V \)

\( (\frac{\partial F}{\partial T})_{v} = - S \)

\( (\frac{\partial F}{\partial V})_{T} = - p \)

\( (\frac{\partial G}{\partial T})_{p} = - S \)

\( (\frac{\partial G}{\partial p})_{T} = V \)


Moduł opracowano na podstawie [1], [2], [3].

Bibliografia

1. J. Kozaczka: Podstawy termodynamiki, Taurus-K, Kraków 1997
2. A. Stokłosa: Podstawy termodynamiki fenomenologicznej i statystycznej dla chemików : podręcznik dla studentów wyższych szkół technicznych, Politechnika Krakowska, Kraków 1999
3. G. Barrow: Chemia fizyczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1973
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.