首页 >
自由能
✍ dations ◷ 2025-04-02 20:20:05 #自由能
热力学自由能(英语:Thermodynamic free energy)是指一个热力学系统的能量中可以用来对外做功的部分,是热力学态函数。自由能可以作为一个热力学过程能否自发进行的判据。对限定条件不同的热力学过程,热力学自由能有不同表达形式。最常见的有吉布斯自由能G和亥姆霍兹自由能A(或F)。等温等容过程用亥姆霍兹自由能 A = U - TS 作为自发性判据;等温等压过程用吉布斯自由能G = H - TS 作为判据,式中H为焓。两者间存在G = A + pV (p,压强;V,体积)关系。系统经历等温、等体积的热力学过程,可以用亥姆霍兹自由能作为自发性判据。亥姆霍兹自由能定义如下:A
≡
U
−
T
S
{displaystyle Aequiv U-TS}对于一个系统的等温、等体积的热力学过程:其中,U是系统的内能,T是温度, S是熵。亥姆霍兹自由能的变化量等于一个系统在等温条件下能做的最大的功。即:ω
max
=
Δ
A
{displaystyle omega _{text{max}}=Delta A}对于等温、等压的热力学过程,用吉布斯自由能作为该过程自发性的判据。由于化学实验经常在等压条件下完成,因此在化学领域中吉布斯自由能更常用。吉布斯自由能定义如下:G
≡
H
−
T
S
=
U
−
T
S
+
p
V
{displaystyle Gequiv H-TS=U-TS+pV}其中,H是焓, T是温度, S是熵, U是系统的内能,p是压力, V是体积。对于一个系统的等温、等压以及无非体积功的热力学过程:对于体系有非体积功
ω
add
{displaystyle omega _{text{add}}}
的等温、等压的热力学过程,吉布斯自由能的变化等于系统能做的最大非体积功。即:ω
add, max
=
Δ
G
{displaystyle omega _{text{add, max}}=Delta G}上式在处理电功等非体积功问题中扮演了重要角色,例如燃料电池以及电化学电池的设计。亥姆霍兹自由能与正则系综(NVT)配分函数关系:A
=
−
k
T
ln
(
Z
)
{displaystyle {displaystyle A=-kTln left(Zright)}}
,上式中,Z为正则系综配分函数,T为温度,k为玻尔兹曼常量。结合亥姆霍兹自由能的定义式,A
=
U
−
T
S
{displaystyle {displaystyle A=U-TS}}以及热力学基本关系可以得到,d
A
=
−
S
d
T
−
P
d
V
+
μ
d
N
{displaystyle {displaystyle mathrm {d} A=-Smathrm {d} T-Pmathrm {d} V+mu mathrm {d} N}}上式中,μ为化学势,N为粒子数。因此可以根据上式可以得出熵S、压强P以及化学势μ的表达式。S
=
−
(
∂
A
∂
T
)
|
V
,
N
{displaystyle {displaystyle S=-{bigg (}{frac {partial A}{partial T}}{bigg )}{bigg |}_{V,N}}}
,
P
=
−
(
∂
A
∂
V
)
|
T
,
N
{displaystyle {displaystyle P=-{bigg (}{frac {partial A}{partial V}}{bigg )}{bigg |}_{T,N}}}
,
μ
=
(
∂
A
∂
N
)
|
T
,
V
{displaystyle {displaystyle mu ={bigg (}{frac {partial A}{partial N}}{bigg )}{bigg |}_{T,V}}}因为化学反应常常在等压条件下发生,因此等温等压系综在化学领域有很重要的地位。等温等压系综配分函数
Δ
(
N
,
P
,
T
)
{displaystyle Delta (N,P,T)}
可以通过正则系综配分函数
Z
(
N
,
V
,
T
)
{displaystyle Z(N,V,T)}
加权求和得到,Δ
(
N
,
P
,
T
)
=
∫
Z
(
N
,
V
,
T
)
exp
(
−
β
P
V
)
C
d
V
{displaystyle Delta (N,P,T)=int Z(N,V,T)exp(-beta PV)Cmathrm {d} V}上式中
β
=
1
/
k
B
T
{displaystyle beta =1/k_{B}T}
, V 是系统的体积。等温等压系综下吉布斯自由能可以写成如下形式。G
(
N
,
P
,
T
)
=
−
k
B
T
ln
Δ
(
N
,
P
,
T
)
{displaystyle G(N,P,T)=-k_{B}Tln Delta (N,P,T)}热质说在热力学发展初期,广泛用来解释与热相关的物理现象。在热质说中,“热质”从高温物体传递到低温物体,并且发展了诸如自由热(free heat),结合热(combined heat)以及辐射热(radiant heat)等概念。物体含有的全部“热质”共分成两部分,一部分是自由热能,对温度计有所改变者,称为自由热;另一部分无法对温度计造成影响,叫做潜热(latent caloric)。19世纪中期,英国物理学家焦耳的热功当量实验揭示热只是一种能量的形式。但是热质说的影响一直延续到19世纪末。1882年德国物理学家亥姆霍兹延续热质学说把F = E - TS一项叫做“自由能”。用来表示在特定限定下可以“自由”做功的能量总量。等温等压条件下的吉布斯自由能G = H - TS也延续了“自由”一词。1988年IUPAC会议对一些科学术语进行规范,讨论建议去掉“自由”一词,直接称“吉布斯能”(“亥姆霍兹能”同理)。随后,使用“吉布斯能”、“亥姆霍兹能”的书籍、文献越来越多。但是,截止2016年,仍有大量书籍、文献继续使用“吉布斯自由能”以及“亥姆霍兹自由能”。IUPAC建议用字母A(德语“Arbeit” ,功)作为亥姆霍兹能的符号。字母F也继续使用。
相关
- 氟甲砜霉素氟甲砜霉素 (商品名:纽弗罗;砜/fēng/),又名“氟氯霉素”或“氟苯尼考”;氟甲砜霉素,是甲砜霉素的单氟衍生物。氟甲砜霉素是一种能有效抑菌的氯霉素类广谱抗生素,抗菌活性强于氯霉
- 波粒二象性在量子力学里,微观粒子有时会显示出波动性(这时粒子性较不显著),有时又会显示出粒子性(这时波动性较不显著),在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种称为波粒二象性(wave-par
- 小檗属参见正文小檗属(学名:Berberis)植物大约有450-500种,为常绿或落叶灌木,一般为1-5米高,有刺,分布在欧洲、亚洲、非洲和美洲的温带和亚热带地区,和十大功劳属(Mahonia)的亲缘关系较近,有
- 俚语俚语是指民间非正式且较口语的词句。《新五代史·卷三十二·死节传·王彦章传》中记载,“彦章武人不知书,常为俚语谓人曰:豹死留皮,人死留名!”俚语亦作里语、俚言。又叫方言,土话
- 异孢异孢耳霉(学名:Conidiobolus incongruus)是属于虫霉目新月霉科耳霉属的一种真菌,腐生在植物的腐烂组织、枯枝落叶及土壤中。该种分布于中国、印度、美国。
- 中医药学中医药学(英文:traditional Chinese medicine and pharmacy),是中医学与中药学的合称,侧重反映中医与中药两者共同发展,密不可分。而中医药是中医与中药的合称。
- 作通格语言作通型配列(Ergative–absolutive alignment),也称为作通格配列、施通格配列、作格配列、施格配列或能格配列,是一类配列方式,即在句法或形态上,将不及物动词的单一变元和及物动词
- 拼音文字拼音文字(英文:Phonogram)是表音文字的一种,又称“音素文字”,是以多个单音字母合并而成,拥有单音或多音节的语音文字。例如英文和法文。拼音文字和音节文字的区别是,音节文字的一
- 保罗·纳斯保罗·麦克西姆·纳斯爵士,FRS FMedSci(英语:Fellow of the Academy of Medical Sciences)(英语:Paul Maxime Nurse,1949年1月25日-),通称保罗·纳斯(Paul Nurse),英国细胞生物学家、皇
- 苯二甲酸苯二甲酸(Benzenedicarboxylic acid),是苯环上两个氢原子被羧基取代而成的一种有机化合物,分子式C6H4(COOH)2。可以指: