Отваря главното меню

Химичен потенциал в термодинамиката е енергия, която може да се приеме или освободи, поради промяна в броя частици на дадено вещество, като например при химична реакция или фазов преход. Химичният потенциал на вещество в смес се определя като скоростта на промяна на свободната енергия на термодинамична система спрямо промяната в броя атоми или молекули на веществото. Следователно, той е частна производна на свободната енергия по отношение на количеството вещества, докато концентрацията на всички останали вещества в сместа е константна. Когато температурата и налягането се поддържат константни, химичният потенциал е частичната моларна свободна енергия на Гибс. При химично или фазово равновесие, общият сбор от химичните потенциали и стехиометричните коефициенти е нула, тъй като свободната енергия е в минимум.[1][2][3]

Във физиката на полупроводниците, химичният потенциал на дадена система електрони при температура от нула K се нарича енергия на Ферми.[4]

Термодинамично определениеРедактиране

Химичният потенциал μi на вещество i се определя чрез емпирично фундаментално термодинамично уравнение, изразено във вид, който представя както обратими, така и необратими процеси:[5]

  

където dU е безкрайно малка промяна във вътрешната енергия U, dS е безкрайно малка промяна в ентропията S, а dV е безкрайно малка промяна в обема V за термодинамична система в термално равновесие, като dNi е безкрайно малка промяна в броя частици Ni от веществото i, докато частици се добавят или изваждат. T е абсолютната температура, S е ентропията, P е налягането, а V е обемът. Други работни условия, като например тези включващи електрически, магнитни или гравитационни полета, могат да бъдат добавяни.

От горното уравнение химическият потенциал може да бъде изведен като:

  .

Все пак, това е неудобен израз за системи от кондензирана материя (например химически разтвори), тъй като е трудно обемът и ентропията да се поддържат константни, докато се добавят частици. По-удобен израз може да се получи чрез прилагане на трансформация на Льожандър към друг термодинамичен потенциал – свободната енергия на Гибс  . Диференциалният израз за това е  , а като се използва горния израз за   се получава диференциална връзка за  :

    .

Така се поражда друг израз за  :

 

а промяната в свободната енергия на Гибс на системата с константна температура и налягане е просто:

  .

В термодинамично равновесие, когато системата е с константна температура и налягане, но може да обменя частици с външната среда, свободната енергия на Гибс е в своя минимум, тоест  . От това следва, че:

  .

Прилагането на това уравнение предоставя начин да се установи константата на равновесие за дадена химична реакция.

Чрез по-нататъшни трансформации на Льожандър от U до други термодинамични потенциали като енталпията   и свободната енергия на Хелмхолц  , могат да се получат изрази за химичния потенциал в следния вид:

  .

Тези различни форми на химичния потенциал са все еквивалентни, тоест те имат един и същ физически смисъл и могат да са полезни при различни физически ситуации.

ИзточнициРедактиране

  1. Atkins, Peter, de Paula, Julio. Atkins' Physical Chemistry. 8th. Oxford University Press, 2006. ISBN 978-0-19-870072-2.
  2. Baierlein, Ralph. The elusive chemical potential. // American Journal of Physics 69 (4). април 2001. DOI:10.1119/1.1336839. с. 423 – 434.
  3. Job, G.. Chemical potential–a quantity in search of recognition. // European Journal of Physics 27 (2). февруари 2006. DOI:10.1088/0143–0807/27/2/018. с. 353 – 371.
  4. Kittel, Charles. Thermal Physics (2nd Edition). W. H. Freeman, 15 януари 1980. с. 357.
  5. Statistical Physics, F Mandl, (Wiley, London, 11971) ISBN 0-471-56658-6, p. 88