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熵增原理与热力学第二定律

       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

   2.1 封闭系统熵变的计算

       对于封闭系统元熵过程,由于δQ≡T1·dSCLO

       所以:dSCLO=δQ/T1   (2)

      上式中T1代表封闭系统温度。

   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)  

    (2)恒温恒压、恒温恒容、绝热恒压或绝热恒容时,有效功小于0,封闭系统过程自发。

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