熵增原理认为无论如何演变,隔离系统的熵永不减少。迄今为止熵增原理仍为经验定律。
能否利用熵增原理解决封闭体系热力学过程的自发性问题?
隔离系统的构建
热力学最关注的是封闭体系热力学过程的自发性问题,现将封闭体系与其环境共同构成一新的隔离系统,则:dSISO=dSCLO+dSSUR (1)
式(1)中dSISO代表隔离系统熵变,dSCLO代表封闭系统熵变,dSSUR代表封闭系统环境的熵变。
依据熵增原理:
dSISO>0,自发;
dSISO=0,平衡;
dSISO<0,非自发。
2. 熵变的计算
所以:dSCLO=δQ/T1 (2)
2.2 环境熵变的计算
通常情况下,热力学认为当封闭系统发生某过程时,其环境的温度、压强及体积均保持恒定,并且也没有任何化学反应或相变进行。此时环境获取能量,将全部用于改变其熵变。
依据热力学第一定律,即:dU=δQ-p▪dV+δW"
dSSUR=[-δQ-δW"+(p-pe)dV]/T2 (3)
式(3)中T2表示环境温度;环境所获取的体势变能量(p▪dV)一部分用于补偿体积功,剩余能量(p-pe)dV将全部用于改变环境的熵变。
2.3 隔离系统熵变
将式(2)、(3)分别代入式(1),整理可得:
dSISO=δQ/T1+[-δQ-δW"+(p-pe)dV]/T2=[δQ·(T2 -T1)-T1▪δW"+T1▪(p-pe)dV]/(T1▪T2) (4)
3. 自发性判据
式(4)结合熵增原理可得:
[δQ·(T2 -T1)-T1▪δW"+T1▪(p-pe)dV]/(T1▪T2)>0 自发
[δQ·(T2 -T1)-T1▪δW"+T1▪(p-pe)dV]/(T1▪T2)=0 平衡
[δQ·(T2 -T1)-T1▪δW"+T1▪(p-pe)dV]/(T1▪T2)<0 非自发
3.1 自发性判定G判据
dT=0, dp=0, δW"=dG≦0
3.2 自发性A判据
dT=0, dV=0, δW"=dA≦0
同理可得:
dS=0, dp=0, δW"=dH≦0
dS=0, dV=0, δW"=dU≦0
4. 结论
(1)dSISO=[δQ·(T2 -T1)-T1▪δW"+T1▪(p-pe)dV]/(T1▪T2)