Хімічний потенціал

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Хімíчний потенціáл — один з термодинамічних параметрів системи; енергія додавання однієї частки в систему без здійснення роботи. Поняття хімічного потенціалу запровадив 1875 року Джозая Віллард Ґіббс.

Позначається зазвичай грецькою літерою . Одиницею вимірювання хімічного потенціалу в системі СІ є Дж/моль.

Фізична природа[ред.ред. код]

Термодинамічні системи у багатьох випадках можуть обмінюватися атомами й молекулами з навколишнім середовищем. Окрім теплової рівноваги приведені в контакт термодинамічні системи намагаються встановити рівновагу за складом. Процеси встановлення рівноваги за складом повільніші за процеси встановлення рівноваги за температурою. Їхня швидкість залежить від природи речовини: гази змішуються швидко, рідини повільніше, а дифузія у твердих тілах може тривати багато років або тисячоліть.

Прагнення термодинамічних систем до встановлення рівноваги за складом кількісно характеризується величиною, яка називається хімічним потенціалом. Процеси встановлення рівноваги у термодинамічних системах відбуваються таким чином, щоб вирівняти хімічний потенціал у кожній області.

На перший погляд може здатися, що вирівнюються концентрації, але це справедливо лише для певного класу речовин і процесів. Існують системи, в яких закладена певна неоднорідність. Наприклад, густина повітря в земній атмосфері зменшується з висотою. Це зменшення зумовлене силами тяжіння. Тож концентрація молекул у повітрі неоднорідна. Однак хімічний потенціал, у якому врахована потенційна енергія молекул на різній висоті, залишається сталим.

Для визначення хімічного потенціалу потрібно знайти різницю між енергією системи з N+1 часток й енергією системи з N часток. Хімічний потенціал - це енергія, яку потрібно надати частці, щоб вмістити її в термодинамічну систему. Важливо при цьому пам'ятати, що частка вміщується в систему таким чином, щоб вона перебувала в тепловій рівновазі з іншими частками.

Наприклад, частки ідеального газу не взаємодіють між собою, тож мінімальна енергія, необхідна для того, щоб вкинути один атом ідеального газу у систему із N атомів, дорівнює нулю. Але для того, щоб цей новий атом перебував у тепловій рівновазі з іншими атомами, небхідно надати йому енергію, яка б дорівнювала середній кінетичній енергії інших атомів. Тож хімічний потенціал ідеального газу не дорівнює нулю й залежить від його температури.

У рівноважній гомогенній системі хімічний потенціал будь-якого з її компонентів у всіх точках однаковий.

Зв'язок із іншими термодинамічними потенціалами[ред.ред. код]

Визначення хімічного потенціалу через інші термодинамічні потенціали можна записати у вигляді:

де Е — повна енергія системи, S — її ентропія, N — кількість частинок у системі.

Ця формула визначає, окрім хімічного потенціалу , також тиск P і температуру T.

Можна довести, що хімічний потенціал задається формулою

Якщо енергія системи залежить не від об'єму, а від інших термодинамічних параметрів , початкова формула набуває вигляду

Багатокомпонентні системи[ред.ред. код]

Якщо в системі є декілька різних типів частинок, є стільки ж різних хімічних потенціалів. Вони зазвичай позначаються різними індесками . Диференціал внутрішньої енергії записується:

де  — кількість частинок і-го типу. Це співвідношенням можна також переписати через концентрації

,

де

 — сумарне число частинок в системі.

Якщо в термодинамічній системі може бути кілька фаз, то в умовах термодинамічної рівноваги кожен із типів хімічних потенціалів має бути однаковим для всіх фаз. Ця вимога призводить до правила фаз.

Стандартний хімічний потенціал[ред.ред. код]

Для певної хімічної речовини дорівнює значенню її хімічного потенціалу в окреслених стандартних умовах (у стандартному стані) при температурі Т.

Дивіться також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]