生物能源第十八章.ppt

第18章生物能学
一、有关热力学的一些基本概念
(一)体系的概念、性质和状态
体系:热力学中所指的体系是在研究中涉及的全部物质的总称。
环境:又称外界,指的是,除规定体系以外的物质的总称。
开放体系:与环境之间有物质交换和能量交换的体系。
封闭体系:只有能量传递而不发生物质交换的体系。
隔离体系:与环境不发生任何形式作用,即无能量传递又无物质交换的体系。
二、能的两种形式——热与功
热是由于温差而产生的能量传递方式,伴随着质点无序运动。
功是体系与环境间另外一种能量交换方式。
(三)内能和焓的概念
内能:是体系内部质点能量的总和,通常用符号U(或E)表示。
内能的本质是由于分子的平均能、转动能、振动能、电子能、电子与核的相对静止质量及分子间相互作用的势能等等所形成。它的值是无法测量的。但内能只与体系的状态有关,而与如何达到这个状态无关。
焓:是一个体系内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。用符号H表示。
焓所涉及到的是体系内质点之间的相互作用和质点自身的能量。焓的变化称为焓变,用△H表示。焓变和内能变化之间的关系可用Δ H= Δ E+ Δ PV表示。
(四)热力学的两个基本定律和熵的概念
热力学第一定律
基本内容:一个体系及其周围环境的总能量是一个常数。虽然能的形式可以转变,但不会消灭。
ΔE=Q-W
如果体系的体积不变,它所吸收的热量在数值上等于该体系内能的改变量。如果体系的压力不变,它所吸收的热量在数值上等于体系的焓变量。
热力学第二定律
基本内容:热的传导只能由高温的物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能,具有一定的方向性,即由高温流向低温。
当热自高温物体传给低温环境时,把原来集中于高温物体的能量分散到与它相联系的环境的质点中,这是是一个自发的过程。它的特征就是所有这些过程都向能量分散程度增大的方向进行。我们用熵(符号S表示)来表示体系的分散程度。
公式:
一个过程只有当其体系和周围环境的熵总和增加时才能自发进行,即Δ S= ΔS体系+ ΔS环境≥0
(五)自由能的概念
自由能G的基本方程式:
ΔG= ΔH-TΔS
式中Δ G为在恒温(T)恒压下(P)下反应体系的自由能变化, Δ S为熵的变化。并没有涉及环境的性质。
由于焓的变化: Δ H= Δ E+ Δ PV
对于化学反应和生物化学反应,体积和压力的变化很小,因此Δ PV ≈0,因此Δ H= Δ E。
所以: Δ G ≌Δ E-TΔS
自由能的变化能预示某一过程能否自发进行,即:
ΔG<0,反应能自发进行;
ΔG>0,反应不能自发进行;
ΔG=0,反应处于平衡状态。
二、自由能的变化、标准自由能变化及其平衡常数的关系
(一)化学反应的标准自由能变化及其平衡常数的关系
标准自由能变化:,反应的温度为25℃或298K,大气压为100kPa(一大气压)时,反应物和产物之间的自由能变化即标准自由能变化,用符号ΔG⊝表示。
该反应标准自由能的变化为:
标准自由能变化和自由能变化概念的区别:
自由能变化时可以观察到的实际表现数值,并且随着反应物和产物的浓度发生变化,是一个变量。
标准自由能变化对一个特定化学反应,在标准温度下都是一个特定的常数。。
对于反应: 的自由能变化为:
当反应达到平衡点时即
令即得或
若反应条件中温度为25℃,pH=7