Енергія Гіббса

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

ПЛАН

ВСТУП ................................................. ............................................... 2
Енергія Гіббса ................................................ .................................... 3
ВИСНОВОК ................................................. ....................................... 14
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ................................... 15

ВСТУП
У своєму рефераті я розповім про енергію Гіббса.
Гіббс Джозайя Віллард (1839-1903), американський фізик-теоретик, один з творців термодинаміки і статистичної механіки. Розробив теорію термодинамічних потенціалів, відкрив загальна умова рівноваги гетерогенних систем - правило фаз, вивів рівняння Гіббса - Гельмгольца, Гіббса - Дюгема, адсорбційну рівняння Гіббса. Встановив фундаментальний закон статистичної фізики - розподіл Гіббса. Запропонував графічне зображення стану трикомпонентної системи (трикутник Гіббса). Заклав основи термодинаміки поверхневих явищ та електрохімічних процесів. Ввів поняття адсорбції.

Енергія Гіббса
На початку своєї роботи я думаю необхідно представити основні поняття теорії Гиббса.
Правило фаз Гіббса в термодинаміці: число равновесно співіснуючих у будь-якій системі фаз не може бути більше числа утворюють ці фази компонентів плюс, як правило, 2. Встановлено Дж. У. Гіббсом в 1873-76.
Гіббс ЕНЕРГІЯ (ізобарно-ізотермічний потенціал, вільна ентальпія), один з потенціалів термодинамічних системи. Позначається G, визначається різницею між ентальпією H і твором ентропії S на термодинамічну температуру Т: G = H - T · S. Ізотермічний рівноважний процес без витрати зовнішніх сил може протікати мимовільно тільки в напрямку зменшення енергії Гіббса до досягнення її мінімуму, якому відповідає термодинамічне рівноважний стан системи. Названа по імені Дж. У. Гіббса.
ПОТЕНЦІАЛІВ ТЕРМОДИНАМІЧНІ, функції обсягу, тиску, температури, ентропії, числа частинок та інших незалежних макроскопічних параметрів, що характеризують стан термодинамічної системи. До потенціалам термодинамічним відносяться внутрішня енергія, ентальпія, ізохорно-ізотермічний потенціал (Гельмгольца енергія), ізобарно-ізотермічний потенціал (Гіббса енергія). Знаючи які-небудь потенціали термодинамічні як функцію повного набору параметрів, можна обчислити будь-які макроскопічні характеристики системи і розрахувати відбуваються в ній.
РОЗПОДІЛ Гіббс канонічне, розподіл ймовірностей різних станів макроскопічної системи з постійним обсягом і постійним числом частинок, що знаходиться в рівновазі з навколишнім середовищем заданої температури; якщо система може обмінюватися частками із середовищем, то розподіл Гіббса називається великим канонічним. Для ізольованої системи справедливо Гіббса розподіл мікроканоніческое, згідно з яким всі мікростану системи з даною енергією рівноймовірні. Названо по імені відкрив цей розподіл Дж. У. Гіббса.
Реакції приєднання радикалів до неграничні з'єднання лежать в основі сучасної технології одержання полімерів, сополімерів і олігомерів. Ці реакції протікають при крекінгу вуглеводнів, галоидирования олефінів, окисленні ненасичених сполук. Вони широко використовуються в синтезі різноманітних сполук і лікарських препаратів. Реакції приєднання атомів водню і гідроксильних з'єднань до неграничних і ароматичним сполукам супроводжують фотоліз і радіоліз органічних матеріалів і біологічних об'єктів.
У реакції радикального приєднання типу
X · + CH 2 = CHY
®
XCH 2 C · HY
рветься подвійна С = С-зв'язок і утворюється зв'язок С-X. Як правило, утворюється
s-зв'язок міцніше рветься p-С-С-зв'язку, і тому реакція приєднання екзотермічну. Це чітко видно з порівняння ентальпії реакції D Н і міцності утворюється зв'язку D (Et-X) у табл. 1.
Інший важливий фактор, що впливає на ентальпію реакції,-енергія стабілізації утворюється радикала XCH 2 C · H 2 Y: чим більше ця енергія, тим більше теплота приєднання радикала X · до олефінів. Енергію стабілізації можна охарактеризувати, наприклад, різницею міцності зв'язків C-H в з'єднаннях Pr-H та EtYHC-H. Нижче наведені дані, що характеризують внесок енергії стабілізації радикала CH 3 CH 2 C · H 2 Y, що утворюється в результаті приєднання метильного радикала до мономер CH 2 = CHY, в ентальпію цієї реакції.

Таблиця 1.
Ентальпія, ентропія і енергія Гіббса приєднання атомів і радикалів X · до етилену.
X ·
-D H,
кДж моль - 1
-D S,
Дж моль - 1 К - 1
-D G (298 K),
кДж моль - 1
H ·
150
84
125
Cl ·
82
88
56
C · H 3
100
122
64
Me 2 C · H
92
134
52
PhC · H 2
63
122
27
N · H 2
81
109
49
HO ·
122
100
93
CH 3 O ·
82
118
46
HO 2 ·
63
134
23
Y
H
C (O) OMe
Cl
CN
Ph
D Pr - H -
D E tYHC · - H,
кДж моль - 1
0.0
23.2
24.1
33.6
57.9
-D Н, кДж моль - 1
95.8
102.0
104.3
129.7
143.0
Видно, що чим більше енергія стабілізації радикалу, тим менше ентальпія реакції.
Всі реакції приєднання протікають зі зменшенням ентропії, оскільки відбувається з'єднання двох часток в одну (див. табл. 8.1). У силу цього для реакцій приєднання енергія Гіббса, і при достатній високій температурі екзотермічна реакція приєднання є оборотною, тому що D G = D H - T D S.
На будь-який процес (реакцію) діють два фактори:
Енатльпійний (екзо-або ендо) - Δ H;
Ентропільний (ТΔS).
При об'єднанні цих двох факторів отримуємо:
ΔН - ТΔS = ΔG
G = H - TS - Енергія Гіббса.
Фізичний сенс Енергії Гіббса:
Ø якщо зміни ΔG р, т менше нуля - то мимоволі йде процес в заданому напрямку;
Ø якщо зміни ΔG р, т більше нуля - мимоволі йде зворотний процес, а пряма реакція не йде зовсім;
Ø

якщо зміни ΔG р, т дорівнює нулю - це найважливіше термодинамічна рівновага.
Висновок: стан термодинамічної рівноваги надзвичайно стійке, тому що при сталості Р, Т система вийти з рівноважного стану не може, так як вихід дорівнює зростанню енергії Гіббса.
Щоб система вийшла зі стану рівноваги необхідно змінити будь-які зовнішні фактори (Р, Т, концентрація і так далі).
Є поняття стандартний стан Гіббса:
ΔG f 0298 [кДж / моль] - довідкова величина.
Користуючись довідковими даними можна розрахувати зміну енергії Гіббса будь-якого процес.
ΔG 298 = Σn i Δ * ΔG f 0298 - Σn j Δ * ΔG f 0298
продукт реагент
більшість процесів протікає при t більш високих ніж стандартна (298). Для перерахунку енергії Гіббса на більш високі температури необхідні довідкові дані по теплоємність, дані представлені в вигляді залежності від температури.
У довідниках ці дані зазвичай представлені у вигляді степеневого ряду.
C p 0 = a + bT + cT 2 + c'Т -2
де a, b, c, c '- для кожної речовини свої.
Коли необхідно розрахувати для процесу
ΔC p 0 = Δa + ΔbT + ΔcT 2 + Δc'Т -2
Де Δa, Δb, Δc, Δc '- будучи функціями стану, розраховуються за формулами:
Δa = Σn i а - Σn j а
продукт реагент
Δb = Σn i b - Σn j b
продукт реагент
Δc = Σn i c - Σn j c
продукт реагент
Термодинаміка фазових рівноваг. Фазові рівноваги в гетерогенних системах. Правило фаз Гіббса.
До фазові рівноваги відносяться переходи типу:
Ø Тверда фаза в рівновазі з рідиною (плавлення - кристалізація);
Ø Рідка фаза в рівновазі з парою (випаровування - конденсація);
Ø Тверда фаза в рівновазі з парою (сублімація - сублімація).
Основні поняття правила фаз:
Фаза (Ф) - це частина системи, що має межі розділу з іншими її частинами.
Компонент (к) - це хімічно однорідна складова системи, що володіє всіма її властивостями.
Число ступенів свободи (С) - це кількість незалежних змінних які можна довільно змінювати не змінюючи числа фаз в системі.
(С, Ф, К) С = К - Ф +2
Існує правило фаз Гіббса.
Розрізняють однокомпонентні, двокомпонентні, трикомпонентні системи (К = 1, К = 2, К = 3).
К = 1.
З min = 1 - 3 + 2 = 0
C max = 1 - 1 + 2 = 2
Для опису однокомпонентних систем вибрали координати:
Р (тиск насиченої пари)
Т (температура)
dP / dT = ΔH Ф.П. / (T Ф.П. * ΔV)
ця залежність зберігається в силі для абсолютно всіх фазових переходів.

Р c

Тв. Ж. a

b Пар


Т кр. Т
Кожна лінія діаграми відповідає своєму фазового переходу:
Оb Тв. - Ж.
Оа Ж. - Пар
Ос Тв. - Пара
Поля діаграми: тверда фаза, рідка фаза, пар.
Т кр.: Пар - Газ
Поле фази:
С = 2 (на полях З max)
C = 1 (на лініях)
Точка О - відповідає рівноваги трьох фаз: Тв. - Ж - Пар.
З = 0 - це значить, що не можна міняти ні температуру ні тиск.
Зупинимося тепер на хімічному потенціал - величині, визначальною термодинамічні характеристики не системи в цілому, а однієї молекули в цій системі.
Якщо додавати в систему молекулу за молекулою при постійному тиску, то на додавання кожної нової частки треба затратити в точності ту ж роботу, що на додавання будь-якої попередньої: об'єм системи буде зростати, а щільність системи - і інтенсивність взаємодій в ній - мінятися не буде. Тому термодинамічне стан молекули в системі зручно визначати величиною вільної енергії Гіббса G, поділеній на число молекул N,
m = G / N
званої хімічним потенціалом (а так як в рідкій або твердій фазі і невисоких тисках F »G, то тут m» F / N). Якщо N означає не число молекул, а, як завжди, число молей молекул, то й m відноситься не до однієї молекулі, а до молю молекул.
Хімічний потенціал - або, що те ж саме, вільна енергія Гіббса в розрахунку на одну молекулу - нам стане в нагоді у другій частині сьогоднішньої лекції, коли мова піде про розподіл молекул між фазами. Справа в тому, що молекули перетікають з тієї фази, де їх хімічний потенціал вище, в ту, де їх хімічний потенціал нижче, - це знижує загальну вільну енергію системи і наближає її до рівноваги. А в рівновазі хімічний потенціал молекул в одній фазі дорівнює хімічному потенціалу тих самих молекул в іншій фазі.
Останнім часом при вивченні властивостей пластифікованих систем були виявлені експериментальні факти, що суперечать загальноприйнятим уявленням і в ряді випадків не отримали належного пояснення. Це стосується термодинаміки пластифікованих систем, визначення температури склування (Т с) і оцінки властивостей систем, що містять відносно невеликі кількості пластифікатора. Факти ці мають велике значення для практики і теорії, вони пов'язані з метастабільності пластифікованих систем і з неправильним використанням деяких методів вивчення їх властивостей.
Відомо, що всі системи діляться на стійкі або стабільні, нестійкі або лабільні і метастабільні, які найбільш поширені. Тому вивчення теплофізичних властивостей метастабільних систем має велике значення.
Метастабільна система стійка по відношенню до всіх систем, нескінченно мало відрізняється від неї, але є принаймні одна система, по відношенню до якої вона нестійка. Стан А, що володіє найменшою енергією Гіббса, є істинно стійким, а стан Б, що володіє більшою енергією Гіббса, - метастабільним станом по відношенню до стану А. Однак для переходу системи зі стану Б у стан А потрібно подолати потенційний бар'єр. Якщо енергія обурення менше потенційного бар'єру, то система залишається у стані Б.
Стабільність таких систем залежить від співвідношення часу релаксації (р) і часу досвіду (оп); під часом досвіду мається на увазі не тільки час лабораторного досвіду, але і час зберігання та експлуатації виробу. Якщо
р>> оп, то система може перебувати в метастабільних станів необмежений час і вона нічим не відрізняється від істинно стійкої системи. Тому до неї не слід застосовувати термін "нерівноважна". Навпаки, в даний час широко поширений термін "метастабільного рівновагу". Система в стані А знаходиться в істинному рівновазі, а система в змозі Б - в метастабільних рівновазі.
Метастабільний стан є типовим для полімерних систем внаслідок дуже великого розміру макромолекул полімерів і значних р. Такі системи, наприклад, можна отримати загартуванням, тобто швидким охолодженням полімеру або полімерної суміші до температури значно нижче їх Т с. При цьому не змінюється структура системи і зберігається приданная їй при більш високій температурі структура. Це означає, що система "пам'ятає" своє минуле. Такі системи називають системами з "пам'яттю". Дослідженню їх властивостей присвячено багато робіт, розробляється термодинаміка цих систем. Ці властивості залежать від передісторії систем. До систем з пам'яттю відносяться всі полімери та полімерні композиції, що знаходяться при температурі набагато нижче їх Тс. Час релаксації відбуваються в них процесів дуже велика, у зв'язку з чим скловидні полімери при Т <<Тс розглядають як рівноважні. До таких систем застосовні закони класичної термодинаміки.
Велике значення має термодинамічна спорідненість полімеру до пластифікатори, які оцінюють тими ж параметрами, що і спорідненість полімеру до розчинників: величиною і знаком енергії Гіббса (G) змішання параметром взаємодії Флорі-Хаггінс (1), другим віріальних коефіцієнтом (А 2). Величину G можна визначити двома способами. Перший спосіб полягає в прямому визначенні G на підставі експериментальних даних по тиску пари пластифікатора над пластифікованої системою або по тиску набухання. Пластифікатори є труднолетучім рідинами, тому вимірювання їх малих тисків вимагає спеціальних методів. Метод ефузії, який для цієї мети застосовується, має багато недоліків. Більш точним є метод визначення тиску набухання, давно використовуваний при вивченні властивостей пластифікованих ефірів целюлози. Він був успішно застосований при дослідженні спорідненості вулканізаторів каучуків до різних розчинників.
Визначення G пластифікованих полімерів можна здійснювати за допомогою методу, запропонованого для сумішей полімерів. Для цього слід виміряти G змішання полімеру, пластифікатора і їхніх сумішей з будь-якої низькомолекулярної рідиною, необмежено змішується з ними. Енергію Гіббса змішування можна визначати на підставі даних світлорозсіювання розчинів. Цей метод, представлений Вукс для системи рідина-рідина, вперше був використаний для систем полімер-розчинник у роботі.
Другий спосіб визначення величини G полягає в розрахунку цього параметра на підставі експериментально виміряних ентальпії та ентропії змішання полімеру з пластифікатором. Її розраховують за рівнянням: G = H - TS. Ентальпію змішування розраховують за законом Гесса, як описано вище, ентропію змішання визначають на підставі температурної залежності теплоємності пластифікованих систем, виміряної за допомогою скануючого калориметра. Цей метод заслуговує уваги. Проте в рамках класичної термодинаміки абсолютні значення ентропії можна отримати тільки при екстраполяції експериментальної температурної залежності теплоємності до абсолютного нуля. У роботі це було зроблено, а в роботі використаний наближений спосіб розрахунку величин S 0, коли всі величини ентропії прийняті без нульових доданків. Це може призвести до помилок. З викладеного випливає, що необхідно розвивати різні методи, які повинні давати однакові результати. Для цього необхідно результати, отримані різними методами, зіставляти і систематично обговорювати.
ВИСНОВОК
У своїй роботі я розглянула енергію Гіббса і відносяться до цієї теорії поняття. Я розповіла про термодинамічні потенціали, правила фаз, розподіл Гіббса, ентальпію, ентропію і звичайно саму енергію Гіббса.
Внесок Джозайа Уілларда Гіббса в науку має велике значення. Його праці та дослідження послужили основою для наукових розробок його послідовників, а так само мають практичне значення.

Список використаних джерел:
1. Теплофізика метастабільних рідин. Свердловськ, УНЦ АН СРСР, 1987.
2. Пригожин І., Дефей Р. Хімічна термодинаміка. Пер. з англ. Під ред. В.А. Михайлова. Новосибірськ, Наука, 1966.
3. Кубо Р. Термодинаміка. Пер. з англ. Під ред. Д.М. Зубарєва, Н.М. Плакіди. М. Світ, 1970.
4. Тагер А.А. Високомолекул. соед., 1988, т. А30, № 7, с. 1347.
5. Тагер А.А. Фізикохімія полімерів. М., Хімія, 1978.
6. Новікова Л.В. та ін Пласт. маси, 1983, № 8, с. 60.



Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
49.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Вірогідність ентропія і енергія Канонічний ансамбль Гіббса
Велике канонічне розподіл Гіббса
Енергія
Чиста енергія
Механічна енергія
Енергія зірок
Альтернативна енергія
Енергія Сонця
Альтернативна енергія 2
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru