水变成蒸汽过程中吉布斯自由能变化是否守恒

Question

如题所述

Answer 1

水变成蒸汽的过程中，自由能是否守恒，取决于这个过程是如何进行的。如果是在恒温恒压的条件下，水可逆地气化或沸腾，那么这个过程的吉布斯自由能变化为零，也就是说吉布斯自由能守恒。但如果不是恒温恒压的条件下，或者不是可逆的过程，那么吉布斯自由能就不一定守恒了。

吉布斯自由能是一个描述系统在等温等压条件下能够做的最大非体积功的热力学函数。它与系统的内能、熵和焓有关，公式为 G=H-TS ，其中 G 是吉布斯自由能， H 是焓， T 是温度， S 是熵。当系统发生等温等压的可逆过程时，吉布斯自由能变化为零，这是因为系统的熵增等于外界的熵减，从而使得总熵不变。

水变成蒸汽的过程中，水的内能和焓都会增加，因为需要吸收热量才能使水分子从液态转变为气态。但水的熵也会增加，因为气态比液态更无序。如果这个过程是在水的沸点进行的，那么水和蒸汽之间达到了平衡状态，也就是说水的蒸汽压等于外界压力。这时候，水和蒸汽之间可以进行可逆地相互转化，不会改变系统的总状态。因此，这时候水变成蒸汽的过程中，吉布斯自由能变化为零。

但如果这个过程不是在沸点进行的，或者不是可逆地进行的，那么水和蒸汽之间就不会达到平衡状态，而是会有一个驱动力使得水向蒸汽方向转化。这时候，水变成蒸汽的过程中，吉布斯自由能就不一定为零了。一般来说，在恒压条件下，如果外界压力低于水的饱和蒸汽压，那么吉布斯自由能就会小于零；如果外界压力高于水的饱和蒸汽压，那么吉布斯自由能就会大于零。
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