Головна Техніка
БІОТЕХНІЧНІ СИСТЕМИ МЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ
|
|
|||||
ОСНОВНЕ ТЕРМОДИНАМІЧНЕ НЕРІВНІСТЬ. ЕНЕРГІЯ ГІББСАПерший початок термодинаміки (5.2) можна записати в диференціальної формі: Підставляючи (5.3) в (5.5), отримаємо нерівність ![]() ![]() зване основним термодинамічних нерівністю. Роботу -dW системи можна представити у вигляді суми корисної роботи -dW ' системи і роботи розширення pdV, пов'язаної зі збільшенням обсягу системи:
Після об'єднання виразів (5.6) і (5.7) запишемо нерівність виду
Відповідно до (5.4В) при р, Т - const права частина нерівності дорівнює убутку енергії Гіббса -dG системи: -dG = -d (E + + pV-TS). Звідки випливає співвідношення
згідно з яким робота, що здійснюються системою в ізобарноізотерміческом процесі, не перевищує убутку енергії Гіббса системи в цьому процесі. Співвідношення (5.8) можна розглядати як формулювання другого закону термодинаміки для ізобарно-ізотермічних процесів. Такі процеси характерні і для живих систем. ХІМІЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛЕнергія Гіббса (ізобарно-ізотермічний потенціал, вільна ентальпія, вільна енергія Г Іббсе) являє собою характеристичну функцію G (p, Т, п, ..., п до ) термодинамічної системи, де тиск р, температура Т, кількість речовин в системі п , «2, ..., п до - незалежні параметри. Якщо система є закритою, то хімічний склад (щ, пг, п до ) з огляду на його сталості можна не включати явно в термодинамічний опис. У відкритій системі хімічний склад може змінюватися, тому необхідно вводити нові змінні - концентрації (xi, Х2) або кількість (п, «2) речовин Х ь Х 2 даного виду. Енергія Гіббса пропорційна числу частинок в системі і використовується для опису відкритих систем, в яких можливий обмін речовиною з навколишніми тілами. Хімічним потенціалом речовини X в даній системі називається величина, яка визначається енергією Гіббса, що припадає на моль цієї речовини при заданих умовах: ![]() де р (Х) - хімічний потенціал речовини X, Дж / моль; G (X) - енергія Гіббса речовини X в термодинамічній системі, Дж; п (Х) - кількість речовини X у цій системі, моль. Якщо система складається з декількох компонентів Xi, Х2, ..., X * в кількості п ^, л *, то енергія Гіббса термодинамічної системи визначається наступним чином: ![]() Для системи з багатокомпонентним складом повний диференціал енергії Гіббса дорівнює сумі приватних диференціалів: ![]() Оскільки енергія Гіббса - характеристична функція системи, через неї можна отримати всі інші термодинамічні параметри. Таким способом встановлюють зв'язок енергії Гіббса з іншими термодинамічними функціями стану і макроскопічними параметрами системи: ![]() Звідси випливає, що обсяг - величина, яка визначається збільшенням енергії Гіббса на одиницю тиску при постійній температурі і кількості речовини. Відповідно хімічний потенціал є парциальную енергію Гіббса і вимірюється приростом dG / dn k цієї функції стану системи при зростанні кількості речовини (числа молей) даного до- го хімічного компонента системи на 1 моль. Для відкритої системи можна записати:
При р, Т = const збільшення енергії Гіббса відбувається тільки в результаті зміни складу системи:
Хімічний потенціал визначає напрямок руху компонентів в ході різних процесів, що відбуваються в системі. Наприклад, при дифузії відбувається робота, яка визначається через різницю хімічних потенціалів: (Г ДІ ф = dn (i 2 ~ Р |) • У рівноважному стані хімічні потенціали в різних частинах гетерогенної системи рівні. Приріст енергії Гіббса в хімічній реакції виду ![]() визначається наступним чином (В, D - реагенти; Q, R - продукти; b, d, q, r- стехіометричні коефіцієнти). Для / -го компонента X, системи енергія Гіббса пропорційна хімічним потенціалом і кількістю даного типу речовини:
Сумарна енергія Гіббса реагентів системи (1 - початковий стан) ![]() сумарна енергія Гіббса продуктів (2 - кінцевий стан)
Тоді приріст енергії Гіббса в хімічній реакції визначається зі співвідношення
Якщо речовина X, знаходиться в розчині, то його хімічний потенціал залежить від концентрації розчину і природи речовини. Аналіз експериментальних даних показує, що ця залежність носить логарифмічний характер:
де ро (Х) - стандартний хімічний потенціал речовини X при концентрації, що дорівнює одиниці; величина, постійна для даної речовини і не залежить від концентрації; R - універсальна газова постійна; с (Х) - молярна концентрація речовини X, моль / л. ![]() Мал. 5.2. Залежність хімічного потенціалу речовини X ц (Х) від його молярної концентрації с (Х) На рис. 5.2 приведена залежність хімічного потенціалу р (Х) речовини X від його молярної концентрації с (Х). З залежності випливає, що хімічний потенціал монотонно зростає зі збільшенням концентрації речовини в термодинамічній системі. Властивості хімічного потенціалу подібні властивостями електричного потенціалу. Гіббс ввів хімічний потенціал для розрахунку хімічної роботи. Так, наприклад, при перенесенні позитивного електричного заряду q з точки з потенціалом (pi в точку з потенціалом <p 2 система здійснює роботу -W = # * (cpi - (р 2 ), якщо (pi> (р 2 . Аналогічно при перенесенні кількості п речовини X з підсистеми з хімічним потенціалом pi в підсистему з хімічним потенціалом р 2 відбувається робота W = w (pi - р 2 ). Таким чином, речовина з підсистеми, в якій концентрація даної речовини більше (з великим хімічним потенціалом pi) переміщається в ту підсистему, де концентрація речовини менше (з меншим хімічним потенціалом р 2 ). Точно також рухається позитивний заряд в електричному полі: з точки з великим потенціалом в точку з меншим потенціалом. |
<< | ЗМІСТ | >> |
---|