Энергия на частицу против химического потенциала против энергии испарения

«Энергия испарения» — это не то же самое, что химический потенциал, потому что вы забыли об энтропии. Например, на$100\,\rm^\circ C$, химический потенциал жидкой воды и водяного пара совершенно одинаков, потому что они находятся в «диффузионном равновесии» (количество молекул, выходящих из пара в газ, в среднем равно числу молекул, движущихся в противоположном направлении) . Но энергия связи для жидкости намного больше — требуется много энергии, чтобы оторвать молекулу жидкости от окружающих ее молекул жидкости (к которым она притягивается), но практически не требуется энергии, чтобы оторвать молекулу водяного пара от молекулы жидкости. другие молекулы водяного пара.

Энергия испарения звучит так же, как энтальпия на частицу, тогда как химический потенциал — это свободная энергия Гиббса на частицу.

ОБНОВЛЕНИЕ С БОЛЬШИМИ ПОДРОБНОСТЯМИ: Как это, микроскопически, что жидкость и пар в$100\,\rm^\circ C$находятся в диффузионном равновесии, несмотря на то, что молекулы жидкости обладают огромной энергией связи, присасываясь друг к другу, а молекулы пара почти не имеют? Что ж, в любой момент на самой верхней поверхности находится целый слой молекул жидкости, и любая из них может случайным образом получить достаточно энергии, чтобы улететь.

С другой стороны, в любой данный момент лишь небольшая горстка молекул пара оказывается достаточно близко к поверхности жидкости, чтобы потенциально всосаться и присоединиться к жидкости. Другими словами, если вы покажете мне случайную молекулу на границе раздела жидкость-пар, я бы сказал, что она, скорее всего, предпочтет остаться в жидкости, а не в паре, но это уравновешивается тем фактом, что если вы покажете мне случайная молекула на границе жидкость-пар, вы, скорее всего, покажете мне молекулу, происходящую из жидкости, чем из пара. (Это обычный способ микроскопического проявления энтропийного эффекта.)

В микроскопическом моделировании в$100\,\rm^\circ C$, вы бы действительно увидели, что столько же молекул жидкости превращается в пар, сколько и наоборот. Это означает, что по определению жидкость и пар имеют одинаковый химический потенциал при$100\,\rm^\circ C$.

Как насчет в$50\,\rm^\circ C$? Каково микроскопическое определение разности химических потенциалов между жидкостью и паром при$50\,\rm^\circ C$? Конечно, химический потенциал жидкости ниже, потому что больше молекул пара превращается в жидкость, чем наоборот. Но если вы сместите систему в пользу создания молекул пара, вы можете настроить симуляцию, чтобы получить диффузионное равновесие. Например, вы добавляете в симуляцию некоторое искусственное силовое поле, которое покрывает поверхность жидкости и создает эффект, при котором молекула жидкости приобретает$1\,\rm eV$кинетической энергии при переходе в пар, и наоборот, молекула пара должна терять$1\,\rm eV$кинетической энергии, чтобы достичь поверхности жидкости.

Может быть , сейчас окажется, что жидкость и пар находятся в диффузионном равновесии. Если да, то с помощью этой симуляции вы доказали, что разность химических потенциалов между жидкостью и паром при$50\,\rm^\circ C$точно$1\,\rm eV$. (На практике химические потенциалы не рассчитываются таким образом, но это хороший концептуальный способ представить это.)