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界面化学中经典热力学的基本特点


实验室k / 2018-11-08

       在界面化学理论讨论中经典热力学应该是一种研究工具。在使用经典热力学这一工具来讨论界面化学理论时应注意经典热力学具有以下一些特点。
       (1)经典热力学讨论的性质均具有平均值特征
       经典热力学的研究对象是以大量质点(在1020以上)构成的宏观整体。在分子热力学中称谓N-body system。这些质点粒子可以是分子、带电离子或胶粒等等。因而经典热力学所讨论的种种性质不可能是个别粒子的性质。经典热力学所讨论的性质在本质上应该而且必定是具有统计性。也就是说,经典热力学所讨论的性质应该是由大量质点集合所共同作用的平均值。例如,单独质点的移动能量和大量质点的平均动能差得很远,但是温度却是由大量质点的平均动能所决定的。同样,气体压力也是大量分子对器壁冲击的平均效应。密度、比容或摩尔容积等同样具有统计平均性。依此类推,由温度、压力或容积所决定的熵和各种热力学位势均同样具有统计平均性。这就是说,经典热力学所讨论的各种性质均具有统计平均性。统计性的理论基础是概率论,而概率论的基础是物质中大量质点必需呈随机分布,因此经典热力学所讨论的性质要求讨论物质内质点呈随机分布。对于理想气体,这是完全正确和完全适合的,所以经典热力学讨论的所有热力学性质间关系的规律,完全适用于具有随机分布规律的理想气体,但是一且物质内质点不呈随机分布状态,例如气体分子间不能忽视分子间相互吸引力时,又如在液体物质分子间呈现近程有序分布,这时实验事实会反映出与经典热力学结果发生偏差,需要修正。例如对实际气体情况以逸度、逸度系数修正;对液体情况以活度、活度系数纠正等等。因而严格说来,经典热力学适应的领域是大量分子呈随机分布的物质。这是我们在使用这一研究工具时应注意的对讨论物质的分子分布结构的要求。

       (2)经典热力学的研究方法是依据大量实验事实所总结得出的几条热力学基本定律为基础,将这几条基本定律应用到具体的物质上,通过一定的逻辑推理,获得一些讨论物质性质的规律。因而,热力学理论一般均具有较高的普遍性和可靠性。
       经典热力学理论中有五条定律或公理。其中热力学第一定律和热力学第二定律是论述能量规律的。界面化学理论中涉及到界面层中能量的转换问题。因此,在讨论界面化学理论时应该注意这两条热力学基本定律。
       热力学第一定律论述了讨论物质中能量转换的规律。下面我们列举一些热力学著作对能量转换规律的描述:“在任何隔离系统中,所储藏的能量不变”;“封闭的绝热系统所作出的功,或对于封闭绝热系统所做的功仅仅取决于过程的初终态”;“做功必须由其他形式能量转化而来,不能无中生有地创造能量,故而所谓第一类水动机是不可能造成的”。这些热力学第一定律的不同描述,就是众所皆知的能量转化过程中的能量守恒定律。能量守恒定律对于分析界面现象中能量转换过程极其重要,亦是界面化学理论必须遵循的基本规律。
       热力学第二定律亦是依据大量实验事实总结出来的一条基本定律。经典热力学中热力学第二定律所要解决的是热力学过程进行的方向问题。热力学理论中以状态函数——熵作为判别热力学过程进行的方向。
       (3)经典热力学另一个特点是不管物质的结构和不管过程的细节。热力学方法不需要任何关于质点、系统或现象的结构的假设。热力学方法仅以两个热力学定律——热力学第一定律和第二定律为基础。而这两个定律是人类经验的概括。这也决定了经典热力学的优缺点。由于不管物质的结构和不管过程的细节,因而在严格导出的热力学结论中没有任何假想的成分,因此结论绝对可靠。但又因为不管物质的结构,故而热力学不能使我们对于现象有更深刻的理解。近代化学热力学的发展要求我们对物质结构及其在能量转变中影响作更多的了解,例如逸度的实质,其影响因素;活度的实质,其影响因素等等。经典热力学不能清晰地回答此类问题。
       界面化学理论同样遇到类似问题。众所周知,表面功的产生是由于界面层内存在有不均匀分子作用力场。而从经典热力学观点出发,所谓分子间存在着相互作用力而引起的势能,分子间引力、斥力、静电作用力等均非经典热力学所关心的对象。经典热力学关心的只是大量粒子的群体行为,而微观状态下这些分子间作用力是否真实对经典热力学而言是不重要的,这使经典热力学不能或者很难说明清楚表面现象的一些规律。所以在经典热力学的理论范内很难使界面化学理论得以进一步的发展。
       联系物质结构与物质性质的学科是统计力学,是热力学的继续。统计力学,通过配分函数寻求建立宏观性能和分子间的作用力之间的关系;而这与定量预言体相性能密切相关。但是,目前有用的构形配分函数还只是建立在接近理想的情况,因此,对于许多实际应用的目的,统计力学还存在有不足。

       综合上述,在应用经典热力学理论讨论界面现象时应注意:所讨论的宏观性质是系统中大量粒子的统计平均值;分析界面现象时应注意经典热力学中能量恒定的法则;在应用经典热力学理论时要注意这一理论的局限性。


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