74 LUKU 5. TERMODYNAAMISET POTENTIAALIT ELI VAPAAT ENERGIAT5.3.2 Gibbsin vapaa energiaSysteemille, joka on kytketty paine- <strong>ja</strong> lämpökylpyyn (lämpötila T 0 , paine P 0 ):jonka kokonaisdifferentiaali onϕ eq = G eq = U−T 0 S+ P 0 V, (5.8)dG eq = dU−T 0 dS−SdT 0 + P 0 dV+ VdP 0 .Tasapainossa systeemin paine <strong>ja</strong> lämpötila ovat samat kuin kylvyn P = P 0<strong>ja</strong> T = T 0 <strong>ja</strong> reversiibeleille muutoksille dU = TdS− PdV + ∑ µ i dN i , jotensaadaandG eq = −SdT 0 + VdP 0 + ∑ µ i dN i .Tämä kertoo, miten Gibbsin vapaan energian tasapainoarvo muuttuu, kun systeeminreunaehto<strong>ja</strong> T 0 , P 0 <strong>ja</strong> N i muutetaan.Kemialliselle potentiaalille saadaan nyt toinen vaihtoehtoinen määritelmä,jossa paine <strong>ja</strong> lämpötila pidetään vakiona hiukkasen lisäyksessä( ) ∂Gµ i =. (5.9)∂N i T,P,N j̸=iGibbsin vapaan energian differentiaalin muut kertoimet ovat( ) ( )∂G∂GS = − , V = . (5.10)∂T P,N i∂P T,N iGibbsin vapaaseen energiaan liittyvät Maxwellin relaatiot( ) ( )∂S∂V= − , (5.11)∂P T,N i∂T P,N( ) ( ) i∂S∂µ= − , (5.12)∂N i T,P,N j̸=i∂T P,N i( ) ( )∂V∂µ. (5.13)∂N i ∂P T,N iT,P,N j̸=i=Olomuodonmuutoksissa eli faasitransitioissa paine <strong>ja</strong> lämpötila pysyvätvakioina, mutta systeemien sisäinen järjestys muuttuu. Gibbsin vapaa energiaonkin sopiva termodynaaminen potentiaali faasitransitioiden tarkasteluun.Gibbsin funktiota käytetään usein fysiikassa <strong>ja</strong> kemiassa, koska T, P <strong>ja</strong> N i voidaanhelposti kiinnittää koejärjestelyin. Erityisen tärkeä Gibbsin vapaa energiaon ensimmäisen kertaluvun faasitransitioiden yhteydessä, koska ne tapahtuvatvakiopaineessa <strong>ja</strong> -lämpötilassa.Gibbsin vapaalle energialle saadaan mielenkiintoinen tulkinta, kun yhdenkomponentin fundamentaalinen yhtälö (4.38) sijoitetaan määritelmään (5.8)(lämpötilana T = T 0 <strong>ja</strong> paineena P = P 0 ):G = TS− PV + µN− TS+PV = µN
5.3. VAPAAT ENERGIAT JA NIIDEN TASAPAINOARVOJEN DERIVAATAT(2.9, 2.10, 6.2) 75eliµ = G/N. (5.14)Kemiallinen potentiaali yhden komponentin aineelle on siis Gibbsin vapaaenergia hiukkasta kohden.Tässä yhteydessä on syytä todeta, että muodosta G = µN ei voida identifioidasysteemin luonnollisia muuttujia (kuten ei myöskään vastaavalla tavallajohdettavista yhtälöistä muille termodynaamisille potentiaaleille). Voidaankirjoittaa (sinänsä oikein) dG = µdN + Ndµ, mutta µ <strong>ja</strong> N eivät yksin riitämääräämään systeemin tilaa.5.3.3 EntalpiaSysteemille joka on kytköksissä painekylpyyn P 0 :jonka kokonaisdifferentiaali onϕ eq = H eq = U+P 0 V,dH eq = dU+P 0 dV+ VdP 0 .Reversiibelille muutoksille systeemin paine on P = P 0 sekä dU = TdS− PdV+∑ µ i dN i , joten entalpian muutos ondH eq = VdP 0 + TdS+∑ µ i dN i .Tämä kertoo, miten entalpian tasapainoarvo muuttuu, kun systeemin reunaehto<strong>ja</strong>S, P 0 <strong>ja</strong> N i muutetaan.Entalpian differentiaalimuodosta voidaan identifioidaT =( ∂H∂S)P,N i, V =( ∂H∂P)S,N i, µ i =( ∂H∂N i)S,P,N j̸=i. (5.15)Näiden avulla saadaan kolme uutta Maxwellin relaatiota:( ) ( )∂T∂V=, (5.16)∂P S,N i∂S P,N( ) ( ) i∂T∂µ=, (5.17)∂N i S,P,N j̸=i∂S P,N i( ) ( )∂V∂µ. (5.18)∂N i ∂P S,N iS,P,N j̸=i=Entalpiaa kutsutaan myös lämpöfunktioksi, sillä vakiopaineessa tapahtuvissaprosesseissa entalpian muutos on yhtä suuri kuin siirtynyt lämpömäärä.Reversiibeliä tietä kuljettaessa nimittäin∆Q = ∆U+P∆V (5.19)
- Page 1 and 2:
TermofysiikanperusteetIsmo Napari j
- Page 3 and 4:
SISÄLTÖiii4.6 Entropia (5.3) . .
- Page 5 and 6:
Luku 1Johdanto1.1 Termofysiikan osa
- Page 7 and 8:
1.3. IDEAALIKAASUN TILANYHTÄLÖ (1
- Page 9 and 10:
1.3. IDEAALIKAASUN TILANYHTÄLÖ (1
- Page 11 and 12:
1.4. ESIMERKKEJÄ TILANYHTÄLÖIST
- Page 13 and 14:
2.2. LÄMPÖMITTARIT JA LÄMPÖTILA
- Page 15 and 16:
2.2. LÄMPÖMITTARIT JA LÄMPÖTILA
- Page 17 and 18:
3.1. TYÖ (2.2, 2.7) 13ten, että j
- Page 19 and 20:
3.2. EKSAKTIT JA EPÄEKSAKTIT DIFFE
- Page 21 and 22:
3.2. EKSAKTIT JA EPÄEKSAKTIT DIFFE
- Page 23 and 24:
3.3. TERMODYNAMIIKAN ENSIMMÄINEN P
- Page 25 and 26:
3.4. LÄMPÖKAPASITEETIT (2.5) 21Er
- Page 27 and 28: 3.5. KVASISTAATTISIA IDEAALIKAASUPR
- Page 29 and 30: 3.5. KVASISTAATTISIA IDEAALIKAASUPR
- Page 31 and 32: 3.5. KVASISTAATTISIA IDEAALIKAASUPR
- Page 33 and 34: Luku 4Termodynamiikan toinenpääs
- Page 35 and 36: 4.1. TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA CARNO
- Page 37 and 38: 4.1. TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA CARNO
- Page 39 and 40: 4.3. CARNOT’N JÄÄKAAPPI JA LÄM
- Page 41 and 42: 4.4. IDEAALIKAASUKONEITA (5.2) 3754
- Page 43 and 44: 4.4. IDEAALIKAASUKONEITA (5.2) 39el
- Page 45 and 46: 4.5. CLAUSIUKSEN EPÄYHTÄLÖ (5.6)
- Page 47 and 48: 4.6. ENTROPIA (5.3) 43Systeemid¯W
- Page 49 and 50: 4.6. ENTROPIA (5.3) 45Adiabaattises
- Page 51 and 52: 4.7. SISÄINEN ENERGIA JA MAXWELLIN
- Page 53 and 54: 4.7. SISÄINEN ENERGIA JA MAXWELLIN
- Page 55 and 56: 4.8. ESIMERKKEJÄ ENTROPIAN MUUTOKS
- Page 57 and 58: 4.8. ESIMERKKEJÄ ENTROPIAN MUUTOKS
- Page 59 and 60: 4.9. ENTROPIAN DIFFERENTIAALI JA ER
- Page 61 and 62: 4.9. ENTROPIAN DIFFERENTIAALI JA ER
- Page 63 and 64: 4.11. TERMODYNAMIIKAN PÄÄSÄÄNN
- Page 65 and 66: 4.12. PISARAN TARINA, OSA 1: TAUSTA
- Page 67 and 68: 4.12. PISARAN TARINA, OSA 1: TAUSTA
- Page 69 and 70: 4.12. PISARAN TARINA, OSA 1: TAUSTA
- Page 71 and 72: 5.2. YMPÄRISTÖN KANSSA VUOROVAIKU
- Page 73 and 74: 5.2. YMPÄRISTÖN KANSSA VUOROVAIKU
- Page 75 and 76: 5.2. YMPÄRISTÖN KANSSA VUOROVAIKU
- Page 77: 5.3. VAPAAT ENERGIAT JA NIIDEN TASA
- Page 81 and 82: 5.4. MIKSI TERMODYNAAMISIA POTENTIA
- Page 83 and 84: 5.4. MIKSI TERMODYNAAMISIA POTENTIA
- Page 85 and 86: 5.4. MIKSI TERMODYNAAMISIA POTENTIA
- Page 87 and 88: 5.4. MIKSI TERMODYNAAMISIA POTENTIA
- Page 89 and 90: 5.5. PISARAN TARINA, OSA 2: VAPAAN
- Page 91 and 92: 5.5. PISARAN TARINA, OSA 2: VAPAAN
- Page 93 and 94: Luku 6Faasien ja faasimuutostenterm
- Page 95 and 96: 6.3. STABIILISUUS 91Kuva 6.1: Vakaa
- Page 97 and 98: 6.4. FAASIDIAGRAMMI JA GIBBSIN FAAS
- Page 99 and 100: 6.4. FAASIDIAGRAMMI JA GIBBSIN FAAS
- Page 101 and 102: 6.5. FAASIMUUTOKSEN KERTALUKU 97esi
- Page 103 and 104: 6.6. VAPAA ENERGIA-DIAGRAMMIT (8.1)
- Page 105 and 106: 6.7. CLAUSIUKSEN JA CLAPEYRONIN YHT
- Page 107 and 108: 6.7. CLAUSIUKSEN JA CLAPEYRONIN YHT
- Page 109 and 110: 6.8. FAASIMUUTOKSET JA VAN DER WAAL
- Page 111 and 112: 6.8. FAASIMUUTOKSET JA VAN DER WAAL
- Page 113 and 114: 6.8. FAASIMUUTOKSET JA VAN DER WAAL
- Page 115 and 116: 6.8. FAASIMUUTOKSET JA VAN DER WAAL
- Page 117 and 118: 6.9. PISARAN TARINA, OSA 3: TASAPAI
- Page 119 and 120: 6.9. PISARAN TARINA, OSA 3: TASAPAI
- Page 121 and 122: 6.9. PISARAN TARINA, OSA 3: TASAPAI
- Page 123 and 124: 6.9. PISARAN TARINA, OSA 3: TASAPAI
- Page 125 and 126: Luku 7Liuosten termodynamiikkaa7.1
- Page 127 and 128: 7.1. PARTIAALISET MOLEKYYLISUUREET
- Page 129 and 130:
7.2. LAIMEIDEN LIUOSTEN HÖYRYNPAIN
- Page 131 and 132:
7.3. OSMOOSI 127lisessä kappaleess
- Page 133:
129eliValitaan ensin dx ̸= 0 ja dz