Анализ применения термодинамических процессов к различным системам. Характеристика изолированной и закрытой систем. Определение термодинамических возможностей основанных на изменение энергии Гиббса. Исследование процессов служащих источником энергии.
Аннотация к работе
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ.Справедливости ради заметим, что, видимо, во Вселенной возможны и процессы, дающие обратный результат - концентрацию огромных количеств энергии и массы в небольших объемах пространства. Поэтому ситуации, которые предстоит рассмотреть в этом и в следующем пунктах, являются для химика и биолога наиболее важными. б) Вследствие постоянства температуры, выражение второго начала термодинамики можно записать в данном случае в интегральном виде: в) Кроме температуры, во многих процессах остается постоянным какой-либо другой ключевой параметр - объем или давление. Функция состояния, по изменению которой можно судить о возможности или невозможности процесса, называется термодинамическим потенциалом (по аналогии с электрическим потенциалом). а) Как нам уже известно, в зависимости от типа системы и процесса роль термодинамического потенциала выполняют разные функции состояния: - в изолированных системах - энтропия, - в изотермо-изохорных процессах - энергия Гельмгольца, - в изотермо-изобарных процессах - энергия Гиббса. б) Можно убедиться также, что в процессах, в которых постоянны энтропия и объем, потенциалом является внутренняя энергия, а в процессах с постоянными энтропией и давлением - энтальпия. Это подтверждают следующие выкладки. а) В общем случае работа системы в микропроцессе определяется дифференциальным неравенством: При постоянной температуре его можно переписать для конечных приращений: б) Представим левую часть в виде суммы работы расширения и любой другой работы, обозначаемой как полезная: В правой же части выразим ?E через ?G: Откуда: в) Подстановка обоих выражений в неравенство дает: Это и означает, что абсолютное (положительное) значение полезной работы, совершаемой за счет процесса, не больше ?G (также взятого со знаком плюс). г) Например, если ?G0 =-200 КДЖ/моль, то и работу за счет процесса можно совершить не более 200 КДЖ/моль. а) Важное замечание: сопряжение экзергонического процесса с какой-либо работой уменьшает (по модулю) результирующее изменение энергии Гиббса; оно становится равным: Так что степень экзергоничности снижается. б) Пример: анаэробное превращение глюкозы в молочную кислоту: В организме человека оно сочетается с совершением полезной работы - образованием молекул аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и фосфат-иона (Фн): Поэтому результирующее изменение энергии Гиббса - по модулю меньше, чем в исходном процессе: Образующийся АТФ служит источником энергии в различных процессах. Уточним, что следует понимать под энергией Гиббса химической реакции (так для краткости называют изменение энергии Гиббса в реакции, ). а) Возьмем следующую обратимую реакцию (обратимую в химическом, а не в термодинамическом смысле): Представим, что молярные концентрации всех участников (и реагентов, и продуктов) - произвольны и постоянны. б) Но если дать реакции придти в равновесие, то концентрации изменились бы до равновесных значений, которые обозначим через [A], [D], [X].