Правило фаз Гиббса. Условия термодинамического равновесия однофазной и многофазных системВ качестве примера применения термодинамических методов исследования получим условия термодинамического равновесия однофазной изолированной системы. Разобьем мысленно систему на две подсистемы (') и (") (рис.5.1), для каждой из которых известны все термодинамические параметры, причем . Для каждой из подсистем, находящихся в состоянии равновесия, запишем уравнения Гиббса: Просуммируем почленно эти два выражения: С другой стороны, для изолированной равновесной системы тогда и Ввиду произвольности значений дифференциалов , из последнего выражения находим условия термодинамического равновесия изолированной системы: Рассмотрим однокомпонентную систему, состоящую из двух взаимодействующих фаз и заключенную в изолирующую оболочку. Пусть каждая из фаз находится в своем внутреннем равновесии, т.е. характеризуется своим набором интенсивных и экстенсивных параметров. При малом изменении состояния каждой из фаз можно записать для них термодинамические тождества . В силу аддитивности , замкнутости системы и обратимости процесса имеем и после почленного суммирования равенств получим В силу произвольности дифференциалов множители в скобках при этих дифференциалах должны быть равны нулю, откуда получаем условия термодинамического равновесия двухфазной однокомпонентной системы: Химический потенциал по определению сам является функцией "естественной" пары переменных , таким образом, условие равновесия фаз может быть записано в виде Вид функций от T и p в общем случае различен для каждой из фаз, поэтому последнее условие не является тождеством. Это есть алгебраическое уравнение, связывающее температуру и давление в равновесной двухфазной системе. Таким образом, в двухфазной однокомпонентной системе температура и давление однозначно связаны. Объем же системы может принимать произвольное значение в зависимости от соотношения между массами фаз. Состояние равновесия двухфазной системы называется состоянием насыщения, а равные для фаз температура и давление – параметрами насыщения. (s aturation ≡ насыщение). 5.4.4. Уравнение Клапейрона – Клаузиса В дальнейшем будем рассматривать только фазовые переходы I рода, во время которых происходит изменение агрегатного состояния, а точнее, переход "жидкость–пар", который весьма часто имеет место в тепловых машинах. Формула Клапейрона–Клаузиуса связывает температуру насыщения (температуру кипения) T s с давлением насыщения p s. Для нахождения этой зависимости запишем в дифференциальной форме условие равновесия фаз: или Так как химический потенциал совпадает с удельной свободной энергией Гиббса , то откуда Учтя определение удельной теплоты парообразования, получаем зависимость, известную как формула Клапейрона - Клаузиуса Так как , а удельный объем в парообразном состоянии больше, чем в жидком, температура кипения увеличивается с увеличением давления. Лекция 11
|