从定义式A=U-TS及G=H-TS可知,由于热力学能U和焓H的绝对值不能求得,因此亥姆霍兹自由能A和吉布斯自由能G的绝对值也不能求得。但二者的变化值ΔA和ΔG都是可以求出的。从而可以判断在恒温恒容及恒温恒压下过程的方向和限度。
1.均相恒温过程两态间的ΔA和ΔG的计算
主要有两种方法,一种是根据定义式;另一种是根据热力学基本方程式计算(下一节进行介绍)。现在介绍从定义式出发计算ΔA和ΔG。
亥姆霍兹自由能A和吉布斯自由能G的定义式分别为:
只要知道了过程的ΔU、ΔH及在始末态的熵和温度,就可以用式(2—108)计算过程的ΔA和ΔG。
在恒温过程中,T不变,则有:
由式(2—109)及(2—110),只要求出ΔU、 ΔH及ΔS的值,即可求出恒温过程中的ΔA和ΔG。对于理想气体的等温过程,因为有ΔU=0及ΔH=0,由式(2—109)及(2—110)可得:
由此可见,在理想气体的等温过程中,ΔA = ΔG。
若过程是等熵过程,则可得:
例2—18 1mol水蒸气(视为理想气体)在300K的恒温条件下,从压力101.325kPa压缩到压力为1013.25kPa,计算该过程的ΔA和ΔG。
解:由于水蒸气为理想气体,恒温时有:ΔA=ΔG=-TΔS
解:对于理想气体的恒温可逆过程,有:ΔU=0及ΔH=0;
2.相变过程ΔA和ΔG的计算
(1)可逆相变过程ΔA和ΔG的计算
由于可逆相变是在恒温恒压及两相平衡共存条件下发生的相变。因此,可逆相变有:
(2)不可逆相变过程ΔA和ΔG的计算
不是在两相平衡共存条件下发生的相变为不可逆相变过程。对于不可逆相变时ΔA和ΔG的计算,根据状态函数原理,可以在相同的始、终态之间设计另一条可逆途径,则可逆途径的ΔA和ΔG即为原过程的ΔA和ΔG。
例2—21计算在101.325kPa下,将1 mol-10℃的过冷水凝固为-10℃的固态冰时的ΔA和ΔG。
由于液体与固体的体积相差不大,即ΔV的值不大,所以:
解:从题意中知这是一个T、p、S均发生改变的物理过程,所以:
计算结果虽得出ΔG <0,但由于该变温物理过程并不是在恒温恒压下进行的,故不能采用G判据。因而还不能认为此过程是自发过程。
化学反应的ΔG的计算方法将留在化学平衡一章中详细讨论。
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