理论教育 存在界面相的热力学基本方程

存在界面相的热力学基本方程

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:类似于敞开系统的热力学基本方程式~式,可写出含界面相的热力学基本方程式如下式中分别称为界面热力学能、界面焓、界面亥姆霍兹函数和界面吉布斯函数,它们都是容量性质。由式(9-6)~式(9-9)所表述的界面相的热力学基本方程可得即界面张力可进一步理解为不同条件下增加单位界面面积时界面相的内热力学能、焓、亥姆霍兹函数、吉布斯函数的增量。

存在界面相的热力学基本方程

界面层是介于两体相间的一个过渡区域,一般有几个分子的厚度,将界面层称为界面相则是一种模型化的做法。对于界面相,因存在界面张力σ,它是除压力外的一种强度变量,因此在描述系统的状态时,必须增加一个广延变量,即界面积As。为与一般体相性质相区别,常用上标σ表示界面相。以吉布斯函数为例,对界面相可写出

对式(9-3)微分,则有

在等T、等p、恒定组成下,dG(σ)=dW′R,与式(9-1)相比较有

可见,界面张力即为比界面吉布斯函数GA。界面张力与比界面吉布斯函数是对同一事物分别从力学热力学角度提出的物理量,虽然物理意义不同,但数学上是等效的,具有相同的量纲

类似于敞开系统的热力学基本方程式(4-10)~式(4-13),可写出含界面相的热力学基本方程式如下

式中,X分别代表U,S,H,A,即分别称为比界面热力学能、比界面熵、比界面焓和比界面亥姆霍兹函数。

对于界面相,按热力学基本关系有

式中,H(σ)-pV(σ)≈H(σ)是忽略了界面相体积变化的结果。在吉布斯界面模型中,U(σ)自然等于H(σ)

在系统T,p和组成不变的情况下,式(9-12)两边同时对界面面积求偏导数,得(www.daowen.com)

至此,各种比界面函数间的相互关系已由式(9-13)给出,并与界面张力和界面张力的温度系数联系起来了。

对式(9-14)微分,并与式(9-9)比较得

式(9-15)就是界面相的吉布斯-杜安方程,它在吸附平衡的计算中非常有用。

[例9.1]已知液态铁在1535℃时的界面张力为1880mN·m-1,界面张力温度系数为-0.43mN·m-1·K-1,求它的界面焓H(σ)

解:由式(9-13)得

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