справедливо для любого обратимого цикла. Считая на каждом элементарном участке теплообмена Т = const, найдем, что:
и для всего цикла
или
Энергия Гельмгольца Изохорно-изотермический потенциал
F = U – TS
Величина (V – TS) является свойством системы; она называется энергией Гельмгольца. Была введена Гельмгольцем в 1882 г.
dF = dU – TdS – SdT,
U = F + TS,
dF = TdS – pdV – SdT,
F – полный дифференциал.
Увеличение объема приводит к тому, что изохорно-изотермический потенциал уменьшается (тот «минус», который стоит перед Р ). Повышение температуры приводит к тому, что F уменьшается.
δА>равн> δА>неравн
Q = ΔU + A,
A = Q – ΔU,
A = T(S>2 – S>1) – (U>2 – U>1),
А = F>1 – F>2 = –ΔF,
А>равн= –ΔF –
физический смысл изохорно-изотермического потенциала.
Убыль изохорно-изотермического потенциала равна максимальной работе, производимой системой в этом процессе; F – критерий направленности самопроизвольного процесса в изолированной системе. Для самопроизвольного процесса: AF>T>г< 0.
Для несамопроизвольного процесса: ΔF>T,V> 0. Для равновесного процесса: ΔF>T,V= 0.
ΔF>V,T≤ 0.
Изохорно-изотермический потенциал в самопроизвольных процессах уменьшается и, когда он достигает своего минимального значения, то наступает состояние равновесия (рис. 4).
Рис. 4
где 1 – самопроизвольный процесс;
2 – несамопроизвольный процесс;
3 – равновесный процесс.
Изобарно-изотермический потенциал.
1) G (P, Т= cоnst), энергия Гиббса
G = U – TS + PV = H – TS = F + PV,
δQ = dU – Pdv + A′,
δA′ = Q – dU – pdv,
δA′>max= T(S>2 – S>1) – (U>2 – U>1) – p(V>2 – V>1),
δA′>max= (U>1 – TS>1 + PV>1) – (U>2 – TS>2 + PV>2) = G>1 – G>2 = –ΔG,
U – TS + pV = G,
A′>max= –ΔG.
Работа изобарно-изотермического процесса равна убыли изобарно-изотермического потенциала – физический смысл этой функции;
2) функция – полный дифференциал, однозначна, конечна, непрерывна.
G = U – TS + pV,
dG = dU – TdS – SdT + pdv + vdp,
dG = TdS – pdV – TdS – SdT + pdv + vdp,
dG = –SdT + Vdp,
Повышение температуры приводит к тому, что изобарно-изотермический потенциал уменьшается, так как перед S стоит знак «минус». Повышение давления приводит к тому, что изобарно-изотермический потенциал увеличивается, так как перед V стоит знак «плюс»;
3) G как критерий направленности процесса в изолированной системе.
Для самопроизвольного процесса: (ΔG)>P,T< 0. Для несамопроизвольного процесса: (ΔG)>P,T> 0. Для равновесного процесса: (ΔG)>P,T = 0
ΔG>(P,>T)≤ 0.
Изобарно-изотермический потенциал в самопроизвольных процессах уменьшается, и, когда он достигает своего минимума, то наступает состояние равновесия.
Рис. 5
где 1 – самопроизвольный процесс;