Keemiline potentsiaal

Inseneridena me viime läbi ka keemilised muudatused, näiteks seperatsiooni protsessid ja reaktsioonid. Termodünaamika kirjeldab ka neid olekumuutusi.

Gibbs energia kui koostis muutub

Tavaliselt keemilistes protsessides me kasutame Gibbs energiat kuna on mugav kasutada, kui rõhk ja temperatuur on konstantsed. Alustame Gibbsi valemiga Gibbs energia jaoks ja võtame nüüd moolide muutused ka arvesse.

\[ dG = -SdT + VdP + \sum_i {\left(\frac{∂G}{∂n_i}\right)}_{T,P,n_j} dn_i \]

Defineerime Gibbs energia tuletist moolide suhtes kui keemiline potentsiaal. Ehk keemiline potentsiaal näitab, kuidas energia muutub, kui koostis muutub.

\[ μ_i = {\left(\frac{∂G}{∂n_i}\right)}_{T,P,n_j} \]

Fugitiivsus

Kuid keemilisel potentsiaalil on mõned ebasoodsad matemaatilised omadused. Eeskätt, kui aine i kontsentratsioon läheb nullini siis keemiline potentsiaali väärtus läheb lõpmatuseni. Sellepärast, tihti kasutatakse hoopis fugitiivsust, mida defineeritakse järgmiselt:

\[ RT \ln \left( \frac{f_i}{1} \right) = μ_i - g_i^o \]

Siin fi on aine i fugitiivsus ja goi on ideaalgaasi standardolek. Seda kuju kasutatakse kuna ideaalgaasi jaoks keemiline potentsiaal on seotud aine osarõhu logaritmiga. Ja logaritmis fugitiivsust jagatakse 1 bar-iga, ehk fugitiivsusel on rõhu ühik.

Fugitiivsus on lihtsalt teisendatud keemiline potentsiaal. Ehk, see näitab sama asja kui keemiline potentsiaal, aga ilma nende matemaatiliste probleemideta.

Võibolla on kasulik teada, et fugitiivsus tuleb ladina keele sõnast fugere, mis tähendab põgenema. Saab siis ette kujutada, et fugitiivsus näitab, kui palju aine tahaks „põgeneda“ süsteemist.

Faasitasakaalu tingimused

Tasakaaluolekus faaside keemilised potentsiaalid on võrdsed.

\[ μ_{i,faas\ 1} = μ_{i,faas\ 2} \]

Tasakaalus see kehtib kõikide komponentide jaoks. Kui keemilised potentsiaalid ei ole võrdsed, siis süsteem võib jõuda madalamale energia seisundile, kui mõned aatomid/molekulid lähevad üle teisele faasile. Sama faasitasakaalu tingimust saab defineerida ka fugitiivsusega.

\[ f_{i,faas\ 1} = f_{i,faas\ 2} \]

Viited

  1. E. B. Smith, Basic Chemical Thermodynamics. Imperial College Press, 2004.
  2. L. Albright, Albright’s Chemical Engineering Handbook. CRC Press, 2008.
  3. J. P. O’Connell and J. M. Haile, Thermodynamics: Fundamentals for Applications. Cambridge University Press, 2005.