Potensial dan Relasi Termodinamika

Potensial termodinamika mengemas ulang hukum-hukum termodinamika ke dalam fungsi-fungsi mirip energi yang variabel alami dan turunannya menghasilkan persamaan keadaan dan relasi Maxwell.

Definition

Potensial termodinamika adalah fungsi keadaan, masing-masing alami dalam seperangkat variabel independen tertentu, yang minimisasinya mencirikan kesetimbangan dan turunan parsialnya menghasilkan persamaan keadaan sistem dan fungsi respons material.

Scope

Area ini mencakup potensial termodinamika – energi internal, entalpi, energi bebas Helmholtz dan Gibbs, serta potensial agung – yang diperoleh satu sama lain melalui transformasi Legendre, bersama dengan relasi Maxwell yang berasal dari turunan keduanya. Fungsi respons seperti kapasitas panas dan kompresibilitas, stabilitas termodinamika dan kondisi konveksitas, potensial kimia, dan kondisi kesetimbangan fasa juga termasuk. Perhitungan mikroskopis potensial ini dari fungsi partisi termasuk dalam area ensemble statistik.

Sub-topics

• Chemical Potential and Phase Equilibria
• Free Energies and Legendre Transforms
• Maxwell Relations
• Response Functions and Stability

Core questions

• Bagaimana transformasi Legendre menghasilkan keluarga potensial termodinamika?
• Mengapa setiap potensial diminimalkan pada kesetimbangan untuk seperangkat variabel alami yang dipertahankan?
• Bagaimana relasi Maxwell menghubungkan turunan variabel keadaan yang tampaknya tidak terkait?
• Kondisi stabilitas dan konveksitas apa yang harus dipenuhi oleh potensial termodinamika?

Key concepts

• Energi internal, entalpi, energi bebas Helmholtz dan Gibbs
• Transformasi Legendre dan variabel alami
• Relasi Maxwell
• Fungsi respons: kapasitas panas, kompresibilitas, ekspansivitas
• Potensial kimia dan kondisi kesetimbangan

Key theories

Struktur transformasi Legendre dari potensial

Setiap potensial termodinamika adalah transformasi Legendre dari energi internal yang menukar variabel ekstensif dengan variabel intensif konjugatnya, menghasilkan fungsi yang secara alami diminimalkan di bawah batasan yang sesuai.

Relasi Maxwell

Karena turunan parsial kedua campuran dari suatu potensial adalah sama, turunan variabel termodinamika konjugat memenuhi persamaan seperti antara ketergantungan volume pada suhu dan ketergantungan entropi pada tekanan.

Clinical relevance

Potensial termodinamika adalah alat kerja kimia fisik, ilmu material, dan teknik kimia, memprediksi spontanitas reaksi melalui energi bebas Gibbs, diagram fasa melalui potensial kimia, dan respons material melalui kapasitas panas dan kompresibilitas.

History

Traktat monumental Gibbs pada tahun 1870-an tentang kesetimbangan heterogen memperkenalkan fungsi energi bebas dan potensial kimia, dibangun di atas energi bebas Helmholtz dan relasi Maxwell untuk memberikan termodinamika struktur analitis modernnya.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hermann von Helmholtz
• James Clerk Maxwell

Seminal works

• gibbs1876
• callen1985

Frequently asked questions

Mengapa ada beberapa energi bebas yang berbeda?

Masing-masing cocok untuk seperangkat variabel terkontrol yang berbeda: energi bebas Helmholtz diminimalkan pada suhu dan volume tetap, energi bebas Gibbs pada suhu dan tekanan tetap, sehingga potensial yang tepat untuk diminimalkan bergantung pada kuantitas mana yang dijaga konstan oleh eksperimen.

Apa yang membuat relasi Maxwell berguna?

Relasi ini memungkinkan kuantitas yang sulit diukur, seperti bagaimana entropi berubah dengan tekanan, digantikan oleh kuantitas yang mudah diukur, seperti bagaimana volume berubah dengan suhu, mengubah turunan yang tidak dapat diakses secara eksperimental menjadi yang dapat diakses.