Принцип максимальной работы - Principle of maximum work
В истории науки , то принцип максимальной работы был постулат о связи между химическими реакциями , тепловой эволюции, и потенциал работы производства от него . Этот принцип был разработан в приблизительной форме в 1875 году французским химиком Марселленом Бертло в области термохимии , а затем в 1876 году американским физиком-математиком Уиллардом Гиббсом в области термодинамики в более точной форме. По сути, версия Бертло заключалась в следующем: «каждая чистая химическая реакция сопровождается выделением тепла». (и это дает максимальный объем работы). Однако эффекты необратимости показали, что эта версия неверна. Это было исправлено в термодинамике за счет включения концепции энтропии . Единицы измерения: p, v и w.
Обзор
Бертло независимо сформулировал обобщение (широко известное как Третий принцип Бертло или принцип максимальной работы), которое можно кратко сформулировать так: каждая чистая химическая реакция сопровождается выделением тепла. Хотя этот принцип, несомненно, применим к подавляющему большинству химических воздействий в обычных условиях, он подлежит многочисленным исключениям и поэтому не может быть принят (как первоначально предполагали его авторы) в качестве надежной основы для теоретических рассуждений о связи между тепловым эффектом и химическое сродство. Существование реакций, которые обратимы при небольшом изменении условий, сразу же отменяет принцип, поскольку, если действие, протекающее в одном направлении, выделяет тепло, оно должно поглощать тепло, продолжаясь в обратном направлении. Поскольку от этого принципа отказались даже его авторы, сейчас он имеет только историческое значение, хотя в течение многих лет он оказывал значительное влияние на термохимические исследования.
Таким образом, в 1875 году французский химик Марселлен Бертло заявил, что химические реакции будут иметь тенденцию давать максимальное количество химической энергии в форме работы по мере развития реакции.
Однако в 1876 году благодаря работам Уилларда Гиббса и других последователей принцип работы оказался частным случаем более общего утверждения:
Для всех термодинамических процессов между одним и тем же начальным и конечным состояниями выполнение работы является максимумом для обратимого процесса.
Принцип работы был предшественником термодинамической концепции свободной энергии .
Термохимия
В термодинамике , то свободная энергия Гиббса или свободная энергия Гельмгольца , по существу , энергия химической реакции «бесплатно» или доступны , чтобы сделать внешнюю работу. Исторически «свободная энергия» является более продвинутой и точной заменой термохимического термина « сродство », используемого химиками в былые времена для описания «силы», вызвавшей химические реакции . Этот термин восходит как минимум ко времени правления Альберта Великого в 1250 году.
По словам нобелевского лауреата и профессора химической инженерии Ильи Пригожина : «Поскольку движение объяснялось ньютоновской концепцией силы, химики хотели аналогичную концепцию« движущей силы »для химических изменений? Почему происходят химические реакции и почему они останавливаются в определенных точках? Химики назвали «силу», вызывающую сродство химических реакций, но у нее не было четкого определения.
В течение всего 18 века преобладающим взглядом на тепло и свет был взгляд Исаака Ньютона , называемый «ньютоновской гипотезой», который утверждал, что свет и тепло являются формами материи, притягиваемой или отталкиваемой другими формами материи, причем силы, аналогичные гравитации или химическому сродству.
В 19 веке французский химик Марселлен Бертло и датский химик Юлиус Томсен попытались количественно определить химическое сродство, используя теплоту реакции . В 1875 году, после количественной оценки теплоты реакции для большого количества соединений, Бертло предложил «принцип максимальной работы», согласно которому все химические изменения, происходящие без вмешательства внешней энергии, имеют тенденцию к образованию тел или системы тел, которые высвобождают тепло .
Термодинамика
С развитием первых двух законов термодинамики в 1850-х и 60-х годах теплота реакции и работа, связанная с этими процессами, получили более точную математическую основу. В 1876 году Уиллард Гиббс объединил все это в своей 300-страничной книге «О равновесии гетерогенных веществ». Предположим, например, что у нас есть общая термодинамическая система, называемая «первичной» системой, и мы механически соединяем ее с «обратимым источником работы». Обратимый источник работы - это система, которая, когда она работает или с ней выполняется работа, не изменяет своей энтропии. Поэтому он не является тепловым двигателем и не рассеивается из-за трения или теплообмена. Простым примером может служить пружина без трения или груз на шкиве в гравитационном поле. Предположим далее, что мы термически подключаем первичную систему к третьей системе, «обратимому источнику тепла». Обратимый источник тепла можно рассматривать как источник тепла, в котором все превращения обратимы. Для такого источника добавленная тепловая энергия δQ будет равна температуре источника (T), умноженной на увеличение его энтропии. (Если бы это был необратимый источник тепла, увеличение энтропии было бы больше, чем δQ / T)
Определять:
Потеря внутренней энергии первичной системой Прирост энтропии первичной системы Прирост внутренней энергии обратимого источника работы Прирост энтропии обратимого источника работы Прирост внутренней энергии обратимого источника тепла Прирост энтропии обратимого источника тепла Температура обратимого источника тепла
Теперь мы можем сделать следующие заявления
(Первый закон термодинамики) (Второй закон термодинамики) (Обратимый источник работы) (Реверсивный источник тепла)
Исключение , и дает следующее уравнение:
Когда основная система обратима, равенство сохраняется и объем выполненной работы будет максимальным. Обратите внимание, что это будет справедливо для любой обратимой системы, которая имеет одинаковые значения dU и dS .