хімічний потенціал

Цей термін має також інші значення див. потенціал .

Хімічний потенціал μ {\ displaystyle \ mu} - термодинамічна функція, застосовувана при описі стану систем зі змінним числом частинок. Визначає зміну термодинамічних потенціалів (енергії Гіббса, внутрішньої енергії, ентальпії і т. Д.) При зміні числа частинок в системі. Являє собою енергію додавання однієї частинки в систему без здійснення роботи. Застосовується для опису матеріального взаємодії. Визначення хімічного потенціалу можна записати у вигляді:

d E = T d S - P d V + μ d N, {\ displaystyle dE = TdS-PdV + \ mu dN,}

де E {\ displaystyle E} - енергія системи, S {\ displaystyle S} - її ентропія , N {\ displaystyle N} - кількість частинок в системі.

Ця формула визначає, крім хімічного потенціалу μ {\ displaystyle \ mu} , також тиск P {\ displaystyle P} і температуру T {\ displaystyle T} .

Для систем, що складаються з одного компонента , Хімічний потенціал задається формулою

μ = E - T S + P V N = G N, {\ displaystyle \ mu = {E-TS + PV \ over N} = {G \ over N},}

де G {\ displaystyle G} - потенціал Гіббса .

Якщо енергія системи залежить не від обсягу, а від інших термодинамічних параметрів A 1, A 2. . . {\ Displaystyle A_ {1}, A_ {2} ...} , Вихідна формула набирає вигляду

d E = T d S - Σ i a i d A i + μ d N. {\ Displaystyle dE = TdS- \ sum _ {i} a_ {i} dA_ {i} + \ mu dN.}

Якщо в системі є декілька різних типів частинок, є стільки ж різних хімічних потенціалів.

Хімічний потенціал служить природною незалежної змінної для великого термодинамічного потенціалу .

Важливість хімічного потенціалу для термодинаміки обумовлена, крім іншого, тим, що однією з умов термодинамічної рівноваги в системі є однаковість хімічного потенціалу будь-якого компонента системи в різних фазах і в різних точках однієї фази [1] .

для однорідних багатокомпонентних систем відкритих систем

d E = T d S - P d V + Σ j μ j d m j, {\ displaystyle dE = TdS-PdV + \ sum _ {j} \ mu _ {j} dm_ {j},}

де m j {\ displaystyle m_ {j}} - маса j {\ displaystyle j} -го компонента [K 1] , Μ j {\ displaystyle \ mu _ {j}} - хімічний потенціал цього компонента, за визначенням дорівнює [K 2] [2] [3] [4]

Величину зміна енергії системи за рахунок варіації мас складових систему речовин

не має загальноприйнятого назви, найчастіше називають елементарної хімічної роботою [K 3] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] , А також масовою роботою [21] , Роботою перенесення маси [5] [16] , Роботою перерозподілу мас речовин [22] , Енергією, переданої при обміні речовиною [23] , Енергією, переданої при перенесенні маси [24] [25] . Хімічна робота не є незалежно вимірюваноївеличиною - такою є сума ентропійному і хімічної складових зміни енергії в даному процесі. Але якщо покласти теплоту нескінченно малого процесу рівною [26] [27] [28] [29]

і врахувати, що елементарна робота розширення / стиснення дорівнює

то хімічна робота може бути обчислена [29] :

z = Σ j μ j d m j = d E - q - w = d E - T d S + P d V. {\ Displaystyle z = \ sum _ {j} \ mu _ {j} \ mathrm {d} m_ {j} = \ mathrm {d} Eqw = \ mathrm {d} ET \ mathrm {d} S + P \ mathrm {d} V.}

Для системи в просторово неоднорідному зовнішньому полі слід враховувати залежність хімічного потенціалу компонента від напруженості поля [1] .

якщо система знаходиться в електричному полі , То хімічний потенціал електрично заряджених частинок називають електрохімічним потенціалом [30] [31] (Термін запропонований в 1929 р Е. А. Гуггенгейм [32] ). Спеціальний термін знадобився через прийнятого в літературі умовного розбиття електрохімічного потенціалу на неелектричну і електричну частини. З теоретичної точки зору такий поділ носить чисто формальний характер, оскільки носіями заряду служать ті ж самі формульні одиниці , З якими співвідноситься звичайний хімічний потенціал, і тому немає способу роздільного визначення його хімічної та електричної складових. Практично ж поділ електрохімічного потенціалу на дві частини виявляється хорошим наближенням в разі заряджених частинок малої маси ( електронів і позитронів ), Для яких внаслідок малості їх маси внесок неелектричної частини в електрохімічний потенціал дуже малий у порівнянні з внеском електричної складової [33] [34] .

Якщо система знаходиться в гравітаційному полі , То умовою її рівноваги служить сталість суми хімічного потенціалу компонента під час відсутності поля і його гравітаційного потенціалу [35] [36] (Конкретизація цього умови для ідеального газу дає барометрическую формулу [1] ), І за аналогією з електрохімічним потенціалом хімічний потенціал компонента в поле тяжіння можна назвати гравіхіміческім потенціалом; хімічний потенціал компонента в гравітаційному полі при наявності електричного поля є потенціал електрогравіхіміческій. Розподіл хімічного потенціалу в силових полях на чисто хімічну і польові (електричну, магнітну і гравітаційну) частини носить формальний характер, оскільки немає способу експериментального визначення хімічної складової окремо від польових.

Хімічний потенціал анизотропного тіла є тензор другого рангу, що залежить від тензора напружень [37] . Як і тензор напружень, який в ізотропних середовищах стає кульовим [38] [39] , В ізотропних середовищах для завдання кульового тензора хімічного потенціалу досить єдиною скалярної величини [40] .

1. ↑ Під компонентом в цій формулі можна розуміти як незалежний компонент , так і що становить речовина : Використання мас незалежних компонентів, а не мас складових систему речовин означає відмову від прямого розгляду впливу хімічних реакцій на маси речовин в системі, бо хімічні перетворення в ній вже враховані при підрахунку числа компонентів.
2. ↑ Індекси у приватній похідною означають сталість ентропії, обсягу і мас всіх компонентів, крім k {\ displaystyle k} -го.
3. ↑ У понятті «хімічна робота» термін «робота» не має відношення до поняття « термодинамічна робота »І використаний просто як синонім словосполучення« зміна енергії », пов'язане з перенесенням маси j {\ displaystyle j} -го компонента через контрольну поверхню, в якості якої в гетерогенній системі зазвичай виступає поверхню розділу фаз . У гомогенної системі контрольна поверхню обмежує дуже малу в порівнянні з усією системою, але все ще макроскопічну її частина, тобто подумки виділяється однорідну макроскопічну область (елементарний об'єм) суцільного середовища, розміри якої нескінченно малі в порівнянні з неоднорідностями середовища і нескінченно великі по відношенню до розмірами частинок (атомів, іонів, молекул і т. п.) цього середовища.

1. ↑ 1 2 3 Фізична енциклопедія, т. 5, 1998. , С. 413 .
2. ↑ Chemical potential, μ // IUPAC Gold Book.
3. ↑ Гамбург Ю. Д., Хімічна термодинаміка, 2016 , Рівняння (1.29), с. 28.
4. ↑ Залевські К., Феноменологическая і статистична термодинаміка, 1973 , Рівняння (5.2), с. 54.
5. ↑ 1 2 Борщівський А. Я., Фізична хімія, т. 1 2017 , С. 242.
6. ↑ Гамбург Ю. Д., Хімічна термодинаміка, 2016 , С. 28.
7. ↑ Кириллин В. А. та ін., Технічна термодинаміка, 2016 , С. 467.
8. ↑ Амінів Л. К., Термодинаміка і статистична фізика, 2015 , Рівняння (3.6), с. 56.
9. ↑ Морачевський А. Г., Фірсова Е. Г., Фізична хімія. Термодинаміка хімічних реакцій, 2015 , С. 14.
10. ↑ Кокотов Ю. А., Хімічний потенціал 2010 , С. 14, 16.
11. ↑ Lebon G. ea, Understanding Non-equilibrium Thermodynamics, 2008 , Expression (1.22), p. 14.
12. ↑ Тер Хара Д., Вергеланд Г., Основи термодинаміки, 2006 , С. 171.
13. ↑ Борисов І. М., Введення в хімічну термодинаміку, 2005 , Рівняння (1.103), с. 80.
14. ↑ Єрьомін В. В. та ін., Основи фізичної хімії, 2005 , Рівняння (2.2), с. 29.
15. ↑ Жариков В. А., Основи фізичної геохімії, 2005 , Рівняння (2.4), с. 31.
16. ↑ 1 2 Воронін Г. Ф., Основи термодинаміки, 1987 , С. 62.
17. ↑ Emanuel G., Advanced classical thermodynamics, 1987 , Expression (6.11), p. 119.
18. ↑ Callen HB, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 1985 , Expression (2.9), p. 36.
19. ↑ Путілов К. А., Термодинаміка, 1971 , С. 125.
20. ↑ Зоммерфельд А., Термодинаміка і статистична фізика, 1955 , С. 147.
21. ↑ Свиридов В. В., Свиридов А. В., Фізична хімія, 2016 , Рівняння (4.47) - (4.50), с. 120-121.
22. ↑ Тамм М. Є., Третьяков Ю. Д., Фізико-хімічні основи неорганічної хімії, 2004 , Рівняння (1.3), с. 11.
23. ↑ Пригожин І., Кондепуді Д., Сучасна термодинаміка, 2002 , Підпис до рис. (2.4), с. 53.
24. ↑ Зубарєв Д. Н., Перший початок термодинаміки, 1992 , С. 555.
25. ↑ Кубо Р., Термодинаміка, 1970 , С. 16.
26. ↑ Базаров І. П., Термодинаміка 2010 , С. 29.
27. ↑ Кокотов Ю. А., Хімічний потенціал 2010 , С. 16.
28. ↑ Callen HB, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 1985 , Expression (2.8), p. 36.
29. ↑ 1 2 Залевські К., Феноменологическая і статистична термодинаміка, 1973 , С. 54.
30. ↑ Гуггенгейм, 1941 , С. 122-123.
31. ↑ Callen HB, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 1985 , P. 35.
32. ↑ Guggenheim, 1985 , P. 300.
33. ↑ Русанов, 2013 , С. 19.
34. ↑ Салем, 2004 , С. 245.
35. ↑ Зимон А. Д., Поверхневі явища, 2015 , С. 147.
36. ↑ Гуггенгейм, 1941 , С. 141.
37. ↑ Русанов, 2013 , С. 21.
38. ↑ Заславський, 1986 , С. 189.
39. ↑ Мейз, 1974 , С. 87.
40. ↑ Русанов, 2013 , С. 25.

• Амінів Л. К. Термодинаміка і статистична фізика. Конспекти лекцій і завдання . - Казань: Казан. ун-т, 2015. - 180 с.
• Базаров І. П. термодинаміка . - 5-е изд. - Санкт-Петербург-М.-Краснодар: Лань, 2010. - 384 с. - (Підручники для вузів. Спеціальна література). - ISBN 978-5-8114-1003-3 .
• Хімічний потенціал // Велика Радянська Енциклопедія : [В 30 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . - 3-е изд. - М.: Радянська енциклопедія, 1969-1978.
• Велика фізична енциклопедія в 5-ти томах. Гл. ред. А. М. Прохоров. Москва «Радянська енциклопедія» 1988 р
• Борисов І. М. Введення в хімічну термодинаміку. Класична термодинаміка . - Уфа: РІО БашГУ, 2005. - 208 с. - ISBN 5-7477-1212-8 .
• Борщівський А. Я. Фізична хімія. Том 1 online. Загальна і хімічна термодинаміка . - М.: Инфра-М, 2017. - 868 с. - (Вища освіта: Бакалаврат). - ISBN 978-5-16-104227-4 .
• Воронін Г. Ф. основи термодинаміки . - М.: Изд-во Моск. ун-ту, 1987. - 192 с.
• Гамбург Ю. Д. Хімічна термодинаміка . - М.: Лабораторія знань, 2016. - 237 с. - (Підручник для вищої школи). - ISBN 978-5-906828-74-3 .
• Гуггенгейм. Сучасна термодинаміка, викладена за методом У. Гіббса / Пер. під ред. проф. С. А. Щукарьова. - Л.-М .: Госхіміздат, 1941. - 188 с.
• Єрьомін В. В., карго С. І., Успенська І. А. та ін. Основи фізичної хімії. Теорія і завдання . - М.: Іспит, 2005. - 481 с. - (Класичний університетський підручник). - ISBN 5-472-00834-4 .
• Жариков В. А. Основи фізичної геохімії . - М.: Наука; Изд-во МГУ, 2005. - 656 с. - (Класичний університетський підручник). - ISBN 5-211-04849-0 , 5-02-035302-7.
• Залевські К. Феноменологічна і статистична термодинаміка: Короткий курс лекцій / Пер. з пол. під. ред. Л. А. Серафимова. - М.: світ , 1973. - 168 с.
• Заславський Б. В. Короткий курс опору матеріалів. - М.: Машинобудування, 1986. - 328 с.
• Зимон А. Д. Поверхневі явища: Загальний курс. - 6-е изд. - М.: Красанд, 2015. - 342 с. - ISBN 978-5-396-00641-6 .
• Зоммерфельд А. Термодинаміка і статистична фізика / Пер. з нім. - М.: ІЛ, 1955. - 480 с.
• Зубарєв Д. Н. Перший початок термодинаміки (Рос.) // фізична енциклопедія . - Велика Російська енциклопедія , 1992. - Т. 3: магнітоплазмове - Пойнтинга теорема. - С. 555.
• Кириллин В. А. , Сичов В. В. , Шейндлін А. Е. Технічна термодинаміка . - М.: Изд. дім МЕІ, 2016. - 496 с. - ISBN 978-5-383-01024-2 .
• Кокотов Ю. А. хімічний потенціал . - СПб. : Нестор-Історія, 2010. - 412 с. - ISBN 978-5-98187-668-4 .
• Кубо Р. термодинаміка . - М.: Мир, 1970. - 304 с.
• Мейз Дж. Теорія і задачі механіки суцільних середовищ. - М.: Мир, 1974. - 319 с.
• Морачевський А. Г., Фірсова Е. Г. Фізична хімія. Термодинаміка хімічних реакцій . - 2-е изд., Испр. - СПб. : Лань, 2015. - 101 с. - (Підручники для вузів. Спеціальна література). - ISBN 978-5-8114-1858-9 .
• Пригожин І. , Кондепуді Д. Сучасна термодинаміка. Від теплових двигунів до дисипативних структур / Пер. з англ. - М.: Мир, 2002. - 461 с. - (Кращий зарубіжний підручник). - ISBN 5-03-003538-9 .
• Путілов К. А. термодинаміка / Відп. ред. М. Х. Карапетьянц . - М.: Наука, 1971. - 376 с.
• Румер Ю. Б., Ривкін М. Ш. Термодинаміка, статистична фізика і кінетика. М., Наука, 1977. 552 с.
• Русанов А. І. Лекції з термодинаміки поверхонь. - Санкт-Петербург-М.-Краснодар: Лань, 2013. - 237 с. - (Підручники для вузів. Спеціальна література). - ISBN 978-5-8114-1487-1 .
• Салем Р. Р. Фізична хімія. Термодинаміка. - М.: Фізматліт, 2004. - 351 с. - ISBN 5-9221-0078-5 .
• Свиридов В. В., Свиридов А. В. Фізична хімія . - СПб. : Лань, 2016. - 597 с. - ISBN 978-5-8114-2262-3 .
• Тамм М. Є., Третьяков Ю. Д. Неорганічна хімія. Том 1. Фізико-хімічні основи неорганічної хімії / Під. ред. акад. Ю. Д. Третьякова. - М.: Академія, 2004. - 240 с. - (Вища професійна освіта). - ISBN 5-7695-1446-9 .
• Тер Хара Д., Вергеланд Г. Основи термодинаміки / Пер. з англ .. - М.: Вузівська книга, 2006. - 200 с. - ISBN 5-9502-0197-3 .
• Фізична енциклопедія / Гол. ред. А. М. Прохоров . - М.: Велика Російська енциклопедія , 1998. - Т. 5: Стробоскопічні прилади - Яскравість. - 760 с. - ISBN 5-85270-101-7 .
• Каллен Г. [en] . Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics . - 2nd ed. - NY ea: John Wiley, 1985. - xvi + 493 p. - ISBN 0471862568 , 9780471862567.
• Cook G., Dickerson RH Understanding the chemical potential // American Journal of Physics.- 1995.- 63 .- pp. 737-742
• Guggenheim EA Thermodynamics: An Advanced Treatment for Chemists and Physicists. - Amsterdam: North-Holland, 1985. - xxiv + 390 с. - ISBN 0 444 86951 4 .
• Kaplan TA The Chemical Potential // Journal of Statistical Physics.-2006.- 122 .- pp. 1237-1260