Gibbsova energie

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 28. září 2020; kontroly vyžadují 22 úprav .

Gibbsova volná energie (nebo jednoduše Gibbsova energie nebo Gibbsův potenciál nebo izobaricko - izotermický potenciál nebo termodynamický potenciál v užším smyslu) je veličina , jejíž změna během chemické reakce se rovná změně vnitřní energie systému. Gibbsova energie ukazuje, jakou část celkové vnitřní energie systému lze za daných podmínek využít k chemickým přeměnám nebo jimi získat a umožňuje stanovit základní možnost, že za daných podmínek dojde k chemické reakci . Matematicky se jedná o termodynamický potenciál následující formy:

G=U+PV-TS

Gibbsovu energii lze chápat jako celkovou potenciální chemickou energii systému (krystalu, kapaliny atd. )

Pojem Gibbsovy energie je široce používán v termodynamice a chemii .

Samovolný výskyt izobaricko-izotermického procesu je určen dvěma faktory: entalpií, spojenou s poklesem entalpie systému ( ), a entropií , v důsledku nárůstu neuspořádanosti v systému v důsledku zvýšení jeho entropie . Rozdíl mezi těmito termodynamickými faktory je funkcí stavu systému, který se nazývá izobaricko-izotermický potenciál nebo Gibbsova volná energie ( , kJ) $\Delta H$ $T\Delta S$ $G$

Definice

Klasická definice Gibbsovy energie je výraz

G=U+PV-TS,

kde je vnitřní energie , je tlak média, je objem , je absolutní teplota média, je entropie . $U$ $P$ $PROTI$ $T$ $S$

Gibbsův energetický diferenciál pro systém s konstantním počtem částic, vyjádřený pomocí vlastních proměnných - prostřednictvím tlaku a teploty : $P$ $T$

dG=-S\,dT+V\,dP.

Pro systém s proměnným počtem částic je tento diferenciál zapsán následovně:

dG=-S\,dT+V\,dP+\mu \,dN.

Zde je chemický potenciál , který lze definovat jako energii, která musí být vynaložena na přidání další částice do systému. $\mu$

Vztah k termodynamické stabilitě systému

Ukažme, že minimum Gibbsova potenciálu odpovídá stabilní rovnováze termodynamického systému s pevnou teplotou, tlakem a počtem částic.

Napíšeme zobecněnou rovnici prvního a druhého termodynamického zákona :

T\,dS\geqslant dU+P\,dV.

V $P=\mathrm {const} ,\;T=\mathrm {const}$

d(U+PV-TS)\leqslant 0.

d(G)\leqslant 0.

V systému za konstantní teploty a tlaku tedy Gibbsova energie dosahuje své minimální hodnoty.

Aplikace v chemii

Spojení s chemickým potenciálem

Pomocí extenzivních vlastností termodynamických potenciálů, jejichž matematickým důsledkem je Gibbs-Duhemův vztah , lze ukázat, že chemický potenciál pro systém s jedním typem částic je poměr Gibbsovy energie k počtu molů látky. n v systému:

\mu ={\frac {G}{n)).

Pokud se systém skládá z částic několika typů s počtem molů částic každého typu, pak Gibbs-Duhemovy vztahy vedou k výrazu $i$ ${\displaystyle n_{i))$

G(p,\,T,\,N_{1},\,\ldots )=\mu _{1}n_{1}+\mu _{2}n_{2}+\ldots

Chemický potenciál se využívá při analýze systémů s proměnným počtem částic a také při studiu fázových přechodů . Takže na základě Gibbs-Duhemových vztahů a z podmínek rovnosti chemických potenciálů fází ve vzájemné rovnováze je možné získat Clausiovu-Clapeyronovu rovnici , která určuje linii koexistence dvou fází v souřadnicích přes termodynamické parametry (specifické objemy) fází a teplo přechodu mezi fázemi. [jeden] $\mu _{1}=\mu _{2}$ $(p,\,T)$

Gibbsova energie a směr reakce

V chemických procesech působí současně dva protichůdné faktory - entropie ( ) a entalpie ( ). Celkový účinek těchto opačných faktorů v procesech probíhajících při konstantním tlaku a teplotě určuje změnu Gibbsovy energie ( ) podle Gibbs-Helmholtzovy rovnice : $T\Delta S$ $\Delta H$ $G$

\Delta G=\Delta HT\Delta S.

Z tohoto výrazu vyplývá , že určité množství tepla je vynaloženo na zvýšení entropie ( ), tato část energie je ztracena k vykonání užitečné práce (odvedena do prostředí ve formě tepla), často se nazývá vázaná energie . Druhá část tepla ( ) může být použita k práci, takže Gibbsova energie se často také nazývá volná energie. $\Delta H=\Delta G+T\Delta S$ $T\Delta S$ $\Delta G$

Povaha změny Gibbsovy energie umožňuje posoudit zásadní možnost realizace procesu.

$\DeltaG<0$	proces může pokračovat - spontánní proces ,
$\DeltaG=0$	systém je ve stavu chemické rovnováhy .
$\DeltaG>0$	proces nemůže pokračovat - nespontánní proces

Jinými slovy, pokud je Gibbsova energie v počátečním stavu systému větší než v konečném stavu, pak proces může zásadně pokračovat, pokud naopak, pak nemůže.

Vezměte prosím na vědomí, že mluvíme výhradně o základní možnosti reakce . V reálných podmínkách se reakce nemusí spustit ani při pozorování nerovnosti (z kinetických důvodů). $\DeltaG<0$

Van't Hoffova izoterma

van't Hoffova izoterma - poměr, který dává do souvislosti změnu Gibbsovy volné energie během chemické reakce s její rovnovážnou konstantou : $\Delta G$ $K$

{\begin{array}{lcl}\Delta G^{o}&=&-RT\cdot \ln K_{eq}\\\Delta G&=&\Delta G^{o}+RT\cdot \ln Q\end{array}}{\biggr \}}\ \Delta G=RT\ln {Q \over K_{eq}}

kde je rovnovážná konstanta (bezrozměrná veličina). $K_{{eq}}$

$Q=\prod _{i=1}^{N}a_{i}^{n_{i))$ — reakční koeficient

Obecně lze říci, že jakoukoli reakci lze považovat za vratnou (i když v praxi tomu tak není). V tomto případě je rovnovážná konstanta definována jako

K={\frac {k_{1}}{k_{-1}}},

kde je rychlostní konstanta dopředné reakce, je rychlostní konstanta zpětné reakce. $k_{1}$ $k_{{-1}}$

Historické pozadí

Gibbsova energie je pojmenována po jednom ze zakladatelů termodynamiky , Josiahu Willardu Gibbsovi .

Poznámky

↑ Stromberg A. G., Semchenko D. P. Fyzikální chemie: učebnice pro chem. specialista. vysoké školy. - 6. vyd. - M . : Vyšší škola, 2006. - 527 s.
↑ Desmos . (неопр.)

Literatura

Achmetov N. S. Aktuální otázky kurzu anorganické chemie. - M .: Vzdělávání, 1991. - 495 s. — ISBN 5-09-002630-0 .
Bazarov I.P. Termodynamika. - M .: Vyšší škola, 1991. - 376 s. - ISBN 5-06-000626-3 .
Landau L. D. , Lifshitz E. M. Statistická fyzika. Část 1. - 3. vydání, příl. — M .: Nauka , 1976. — 584 s. - (" Teoretická fyzika ", svazek V).

Viz také

Termodynamické potenciály
Vnitřní energie Entalpie Helmholtzova volná energie Gibbsova energie Velký termodynamický potenciál
Portál "Fyzika"