化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散過程課件

化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散過程

組員：趙文菊劉莉麗

1簡單介紹一下：簡單介紹一下：2

本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容3考慮理想流體考慮理想流體4

系統(tǒng)中某體積元化學(xué)反應(yīng)

的反應(yīng)速率顯然與體積元內(nèi)分子A與分子發(fā)生碰撞的頻率成正比，因而與其中反應(yīng)物A和的分子數(shù)密度和

成正比，即

是比例系數(shù)。一般來說在非平衡系統(tǒng)中、和可以是時(shí)間和坐標(biāo)的函數(shù)。

同理，體積元內(nèi)化學(xué)反應(yīng)

的反應(yīng)速率可表為

是比例系數(shù)。

系統(tǒng)中某體積元化學(xué)反應(yīng)

的反應(yīng)速率顯5兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，體積元內(nèi)的分子數(shù)密度的變化率為

另一方面，由擴(kuò)散引起分子數(shù)密度的變化率可表為是的粒子流密度。將上述兩式相加得體積元中分子數(shù)密度的變化率可表示為兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，體積元內(nèi)的分子數(shù)密度6一般地當(dāng)體積元存在r個(gè)化學(xué)反應(yīng)時(shí)組元i的分子數(shù)密度的變化率可表為

式中是第個(gè)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率，是在第個(gè)反應(yīng)方程中組元i的系數(shù)。當(dāng)組元i在反應(yīng)方程中是生成物時(shí)為正，是反應(yīng)物時(shí)為負(fù)。對于反應(yīng)---擴(kuò)散過程，由式知局域熵密度的變化率為一般地當(dāng)體積元存在r個(gè)化學(xué)反應(yīng)時(shí)組元i的分子數(shù)密度7引入反應(yīng)的局域化學(xué)親合勢

可將式局域熵密度變化率表為與局域熵密度增加率比較，知熵流密度為上式給出粒子流所攜帶的熵流，局域熵產(chǎn)生率為引入反應(yīng)的局域化學(xué)親合勢可將式局域熵密度變化率表為8兩項(xiàng)分別表示擴(kuò)散過程和化學(xué)反應(yīng)過程的局域熵產(chǎn)生率將上式與式比較，知反應(yīng)擴(kuò)散過程的流量J與動(dòng)力X為兩項(xiàng)分別表示擴(kuò)散過程和化學(xué)反應(yīng)過程的局域熵產(chǎn)生率將上式與式9親合能的誕生

親和能等價(jià)于化學(xué)反應(yīng)體系自由能的減少，即

由此，化學(xué)反應(yīng)親和能可以作為等溫等壓化學(xué)反應(yīng)方向和趨勢的判據(jù)：反應(yīng)向–△G＞0的方向進(jìn)行；自由能的降低值（–△G）越大，反應(yīng)的自發(fā)傾向，即反應(yīng)的趨勢越強(qiáng)。顯然，A=–△G比A=–Q更深刻地反映了親和觀的意義。親合能的誕生親和能等價(jià)于化學(xué)反應(yīng)體系自由能的減少，即10化學(xué)親合勢的導(dǎo)入

1922年，唐德爾通過化學(xué)勢μ來定義“affinityofchemicalreaction”：其中γi是組分i的化學(xué)計(jì)量數(shù)。由于該定義中“affinity”，在現(xiàn)代意義上應(yīng)理解為能，如同引力勢、電勢中的勢，都是能的一種形式，這可以從它的量度看出來，因此，它應(yīng)表示為“化學(xué)反應(yīng)親和勢”?！盎瘜W(xué)反應(yīng)親和勢”可簡稱為“化學(xué)親和勢”或“親和勢”，有的也譯為“化學(xué)反應(yīng)親和能”；該定義實(shí)際上仍基于吉布斯自由能，因?yàn)榛瘜W(xué)勢為偏摩爾吉布斯自由能。

化學(xué)親合勢的導(dǎo)入1922年，唐德爾通過化學(xué)勢11化學(xué)親和勢與反應(yīng)速率V的關(guān)系

引入反應(yīng)度（thedegreeofadvancementofreaction）來定義反應(yīng)速率（單位時(shí)間反應(yīng)度的變化率），并根據(jù)熵增原理導(dǎo)出化學(xué)親和勢與反應(yīng)速率V的關(guān)系：A·V>0

普里高津指出，上式“表達(dá)了化學(xué)親和勢最有特征的性質(zhì)”，因?yàn)樗砻鳌坝H和勢與化學(xué)反應(yīng)速率有密切關(guān)系”

化學(xué)親和勢與反應(yīng)速率V的關(guān)系引入反應(yīng)度（t12因此：

化學(xué)反應(yīng)親和勢就可以充任研究平衡態(tài)向遠(yuǎn)離平衡態(tài)過渡的概念工具。例如，對化學(xué)反應(yīng)體系，A=0對應(yīng)于平衡態(tài)，化學(xué)反應(yīng)速率為零；A變導(dǎo)致體系偏離平衡態(tài)，|A|?。ˋ＜＜KB

T），表明體系實(shí)際態(tài)與平衡態(tài)間的距離?。ń胶鈶B(tài)），體系接近穩(wěn)定，此時(shí)按照線性區(qū)的近似，化學(xué)反應(yīng)的流（總化學(xué)反應(yīng)速率）對化學(xué)反應(yīng)的力（親和勢）可以看成為線性近似關(guān)系；因此：化學(xué)反應(yīng)親和勢就可以充任研究平衡態(tài)向遠(yuǎn)離平衡態(tài)過渡的13|A|大則表明體系實(shí)際態(tài)與平衡態(tài)間的距離大（遠(yuǎn)離平衡態(tài)），體系不穩(wěn)定；|A|足夠大時(shí)，體系可能達(dá)到一種新的穩(wěn)定態(tài)，形成有序的耗散結(jié)構(gòu)。因此，一般說來，化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)親和勢是非線性關(guān)系的。

|A|大則表明體系實(shí)際態(tài)與平衡態(tài)間的距離大（遠(yuǎn)離平衡態(tài)），體14非線性不可逆過程熱力學(xué)應(yīng)用非線性不可逆過程熱力學(xué)應(yīng)用www.animationfact15參考文獻(xiàn)：汪志誠.熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理[M].北京：高等教育出版社，2003.傅獻(xiàn)彩沈文霞姚天揚(yáng)侯文華編.物理化學(xué)[M].南京大學(xué):高等教育出版社，2005.M.B.羅金娜著，李連芬譯，“關(guān)于化學(xué)親和力問題的歷史發(fā)展”，《化學(xué)通報(bào)》，1957年第3期

參考文獻(xiàn)：汪志誠.熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理[M].北京：高等教育出版16

化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散過程

組員：趙文菊劉莉麗

17簡單介紹一下：簡單介紹一下：18

本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容19考慮理想流體考慮理想流體20

系統(tǒng)中某體積元化學(xué)反應(yīng)

的反應(yīng)速率顯然與體積元內(nèi)分子A與分子發(fā)生碰撞的頻率成正比，因而與其中反應(yīng)物A和的分子數(shù)密度和

成正比，即

是比例系數(shù)。一般來說在非平衡系統(tǒng)中、和可以是時(shí)間和坐標(biāo)的函數(shù)。

同理，體積元內(nèi)化學(xué)反應(yīng)

的反應(yīng)速率可表為

是比例系數(shù)。

系統(tǒng)中某體積元化學(xué)反應(yīng)

的反應(yīng)速率顯21兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，體積元內(nèi)的分子數(shù)密度的變化率為

另一方面，由擴(kuò)散引起分子數(shù)密度的變化率可表為是的粒子流密度。將上述兩式相加得體積元中分子數(shù)密度的變化率可表示為兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，體積元內(nèi)的分子數(shù)密度22一般地當(dāng)體積元存在r個(gè)化學(xué)反應(yīng)時(shí)組元i的分子數(shù)密度的變化率可表為

式中是第個(gè)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率，是在第個(gè)反應(yīng)方程中組元i的系數(shù)。當(dāng)組元i在反應(yīng)方程中是生成物時(shí)為正，是反應(yīng)物時(shí)為負(fù)。對于反應(yīng)---擴(kuò)散過程，由式知局域熵密度的變化率為一般地當(dāng)體積元存在r個(gè)化學(xué)反應(yīng)時(shí)組元i的分子數(shù)密度23引入反應(yīng)的局域化學(xué)親合勢

可將式局域熵密度變化率表為與局域熵密度增加率比較，知熵流密度為上式給出粒子流所攜帶的熵流，局域熵產(chǎn)生率為引入反應(yīng)的局域化學(xué)親合勢可將式局域熵密度變化率表為24兩項(xiàng)分別表示擴(kuò)散過程和化學(xué)反應(yīng)過程的局域熵產(chǎn)生率將上式與式比較，知反應(yīng)擴(kuò)散過程的流量J與動(dòng)力X為兩項(xiàng)分別表示擴(kuò)散過程和化學(xué)反應(yīng)過程的局域熵產(chǎn)生率將上式與式25親合能的誕生

親和能等價(jià)于化學(xué)反應(yīng)體系自由能的減少，即

由此，化學(xué)反應(yīng)親和能可以作為等溫等壓化學(xué)反應(yīng)方向和趨勢的判據(jù)：反應(yīng)向–△G＞0的方向進(jìn)行；自由能的降低值（–△G）越大，反應(yīng)的自發(fā)傾向，即反應(yīng)的趨勢越強(qiáng)。顯然，A=–△G比A=–Q更深刻地反映了親和觀的意義。親合能的誕生親和能等價(jià)于化學(xué)反應(yīng)體系自由能的減少，即26化學(xué)親合勢的導(dǎo)入

1922年，唐德爾通過化學(xué)勢μ來定義“affinityofchemicalreaction”：其中γi是組分i的化學(xué)計(jì)量數(shù)。由于該定義中“affinity”，在現(xiàn)代意義上應(yīng)理解為能，如同引力勢、電勢中的勢，都是能的一種形式，這可以從它的量度看出來，因此，它應(yīng)表示為“化學(xué)反應(yīng)親和勢”?！盎瘜W(xué)反應(yīng)親和勢”可簡稱為“化學(xué)親和勢”或“親和勢”，有的也譯為“化學(xué)反應(yīng)親和能”；該定義實(shí)際上仍基于吉布斯自由能，因?yàn)榛瘜W(xué)勢為偏摩爾吉布斯自由能。

化學(xué)親合勢的導(dǎo)入1922年，唐德爾通過化學(xué)勢27化學(xué)親和勢與反應(yīng)速率V的關(guān)系

引入反應(yīng)度（thedegreeofadvancementofreaction）來定義反應(yīng)速率（單位時(shí)間反應(yīng)度的變化率），并根據(jù)熵增原理導(dǎo)出化學(xué)親和勢與反應(yīng)速率V的關(guān)系：A·V>0

普里高津指出，上式“表達(dá)了化學(xué)親和勢最有特征的性質(zhì)”，因?yàn)樗砻鳌坝H和勢與化學(xué)反應(yīng)速率有密切關(guān)系”

化學(xué)親和勢與反應(yīng)速率V的關(guān)系引入反應(yīng)度（t28因此：

化學(xué)反應(yīng)親和勢就可以充任研究平衡態(tài)向遠(yuǎn)離平衡態(tài)過渡的概念工具。例如，對化學(xué)反應(yīng)體系，A=0對應(yīng)于平衡態(tài)，化學(xué)反應(yīng)速率為零；A變導(dǎo)致體系偏離平衡態(tài)，|A|小（A＜＜KB

T），表明體系實(shí)際態(tài)與平衡態(tài)間的距離小（近平衡態(tài)），體系接近穩(wěn)定，此時(shí)按照線性區(qū)的近似，化學(xué)反應(yīng)的流（總化學(xué)反應(yīng)速率）對化學(xué)反應(yīng)的力（親和勢）可以看成為線性近似關(guān)系；因此：化學(xué)反應(yīng)親和勢就可以充任研究平衡態(tài)向遠(yuǎn)離平衡態(tài)過渡的29|A|大則表明體系實(shí)際態(tài)與平衡態(tài)間的距離大（遠(yuǎn)離平衡態(tài)），體系不穩(wěn)定；|A|足夠大時(shí)，體系可能達(dá)到一種新的穩(wěn)定態(tài)，形成有序的耗散結(jié)構(gòu)。因此，一般說來，化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)親和勢是非線性關(guān)系的。

|A|大則表明體