Gibbsin energiaa

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 28.9.2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 22 muokkausta .

Gibbsin vapaa energia (tai yksinkertaisesti Gibbsin energia tai Gibbsin potentiaali tai isobaarinen isoterminen potentiaali tai termodynaaminen potentiaali suppeassa merkityksessä) on määrä , jonka muutos kemiallisen reaktion aikana on yhtä suuri kuin järjestelmän sisäisen energian muutos . Gibbsin energia osoittaa, mikä osa järjestelmän sisäisestä kokonaisenergiasta voidaan käyttää kemiallisiin muunnoksiin tai saada niiden tuloksena tietyissä olosuhteissa ja mahdollistaa kemiallisen reaktion perustavanlaatuisen mahdollisuuden tietyissä olosuhteissa. Matemaattisesti tämä on seuraavan muodon termodynaaminen potentiaali :

G=U+PV-TS

Gibbsin energia voidaan ymmärtää järjestelmän (kide, neste jne. ) potentiaalisena kemiallisena kokonaisenergiana.

Gibbsin energian käsitettä käytetään laajasti termodynamiikassa ja kemiassa .

Isobaarisen isotermisen prosessin spontaanin esiintymisen määrää kaksi tekijää: entalpia, joka liittyy järjestelmän entalpian laskuun ( ), ja entropia , joka johtuu järjestelmän häiriön lisääntymisestä sen entropian lisääntymisen vuoksi . Näiden termodynaamisten tekijöiden välinen ero on systeemin tilan funktio, jota kutsutaan isobaariseksi-isotermiseksi potentiaaliksi tai Gibbsin vapaaksi energiaksi ( , kJ) $\Delta H$ $T\Delta S$ $G$

Määritelmä

Klassinen Gibbsin energian määritelmä on ilmaus

G=U+PV-TS,

missä on sisäinen energia , on väliaineen paine , on tilavuus , on väliaineen absoluuttinen lämpötila , on entropia . $U$ $P$ $V$ $T$ $S$

Gibbsin energiadifferentiaali järjestelmälle, jossa on vakiomäärä hiukkasia, ilmaistuna ominaismuuttujina - paineen ja lämpötilan kautta : $P$ $T$

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

Järjestelmälle, jossa on vaihteleva määrä hiukkasia, tämä differentiaali kirjoitetaan seuraavasti:

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

Tässä on kemiallinen potentiaali , joka voidaan määritellä energiaksi, joka on käytettävä yhden hiukkasen lisäämiseksi järjestelmään. $\mu$

Suhde järjestelmän termodynaamiseen vakauteen

Osoitetaan, että Gibbsin potentiaalin minimi vastaa termodynaamisen järjestelmän stabiilia tasapainoa, jossa on kiinteä lämpötila, paine ja hiukkasten lukumäärä.

Kirjoitamme termodynamiikan ensimmäisen ja toisen lain yleisen yhtälön :

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

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

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

d(G)\leqslant 0.

Siten järjestelmässä, jossa on vakiolämpötila ja paine, Gibbsin energia saavuttaa minimiarvonsa.

Sovellukset kemiassa

Yhteys kemialliseen potentiaaliin

Termodynaamisten potentiaalien ekstensenssiominaisuuksia , joiden matemaattinen seuraus on Gibbs-Duhem-relaatio , voidaan osoittaa, että kemiallinen potentiaali systeemille, jossa on yhden tyyppisiä hiukkasia, on Gibbsin energian suhde aineen moolien määrään. n järjestelmässä:

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

Jos järjestelmä koostuu usean tyyppisistä hiukkasista, joissa on kunkin tyypin hiukkasten moolimäärä , niin Gibbs-Duhem-relaatiot johtavat lausekkeeseen $i$ ${\näyttötyyli n_{i))$

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

Kemiallista potentiaalia käytetään analysoitaessa järjestelmiä, joissa on vaihteleva määrä hiukkasia, sekä tutkittaessa faasimuutoksia . Joten Gibbs-Duhem-relaatioiden ja tasapainossa olevien faasien kemiallisten potentiaalien yhtäläisyyden ehtojen perusteella on mahdollista saada Clausius-Clapeyron -yhtälö , joka määrittää kahden faasin rinnakkaiselon linjan koordinaateissa faasien termodynaamisten parametrien (ominaistilavuuksien) ja faasien välisen siirtymälämmön kautta. [yksi] $\mu _{1}=\mu _{2}$ ${\näyttötyyli (p,\,T)}$

Gibbsin energia ja reaktiosuunta

Kemiallisissa prosesseissa kaksi vastakkaista tekijää vaikuttavat samanaikaisesti - entropia ( ) ja entalpia ( ). Näiden vastakkaisten tekijöiden kokonaisvaikutus vakiopaineessa ja lämpötilassa tapahtuvissa prosesseissa määrää Gibbsin energian muutoksen ( ) Gibbs-Helmholtzin yhtälön mukaisesti : $T\Delta S$ $\Delta H$ $G$

\Delta G=\Delta HT\Delta S.

Tästä lausekkeesta seuraa , että eli tietty määrä lämpöä kuluu entropian lisäämiseen ( ), tämä osa energiasta menetetään hyödyllisen työn tekemiseen (hävitetään ympäristöön lämmön muodossa), sitä kutsutaan usein ns. sidottu energia . Toinen osa lämmöstä ( ) voidaan käyttää työn tekemiseen, joten Gibbsin energiaa kutsutaan usein myös vapaaksi energiaksi. $\Delta H=\Delta G+T\Delta S$ $T\Delta S$ $\Delta G$

Gibbsin energian muutoksen luonne mahdollistaa prosessin toteuttamisen perustavanlaatuisen mahdollisuuden arvioida.

$\DeltaG<0$	prosessi voi jatkua - spontaani prosessi ,
$\DeltaG=0$	järjestelmä on kemiallisen tasapainon tilassa .
$\DeltaG>0$	prosessi ei voi edetä - ei- spontaani prosessi

Toisin sanoen, jos Gibbsin energia järjestelmän alkutilassa on suurempi kuin lopputilassa, niin prosessi voi pohjimmiltaan edetä, jos päinvastoin, niin ei.

Huomaa, että puhumme yksinomaan reaktion perustavanlaatuisesta mahdollisuudesta . Todellisissa olosuhteissa reaktio ei ehkä käynnisty, vaikka epätasa-arvo havaitaan ( kineettisistä syistä). $\DeltaG<0$

Van't Hoff isotherm

van't Hoffin isotermi - suhde, joka yhdistää Gibbsin vapaan energian muutoksen kemiallisen reaktion aikana sen tasapainovakioon : $\Delta G$ $K$

{\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}}

missä on tasapainovakio (ulottumaton suure). $K_{{eq}}$

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

Yleisesti ottaen mitä tahansa reaktiota voidaan pitää palautuvana (vaikka se ei käytännössä olisi). Tässä tapauksessa tasapainovakio määritellään seuraavasti

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

missä on eteenpäin suuntautuvan reaktion nopeusvakio , on käänteisen reaktion nopeusvakio. $k_{1}$ $k_{{-1}}$

Historiallinen tausta

Gibbsin energia on nimetty yhden termodynamiikan perustajista Josiah Willard Gibbsin mukaan .

Muistiinpanot

↑ Stromberg A. G., Semchenko D. P. Fysikaalinen kemia: kemian oppikirja. asiantuntija. yliopistot. - 6. painos - M . : Korkeakoulu, 2006. - 527 s.
↑ Desmos . (määrätön)

Kirjallisuus

Akhmetov N. S. Epäorgaanisen kemian kurssin ajankohtaisia kysymyksiä. - M .: Koulutus, 1991. - 495 s. — ISBN 5-09-002630-0 .
Bazarov I.P. Termodynamiikka. - M .: Higher School, 1991. - 376 s. - ISBN 5-06-000626-3 .
Landau L.D. , Lifshits E.M. Tilastollinen fysiikka. Osa 1. - 3. painos, lisäys. — M .: Nauka , 1976. — 584 s. - (" Teoreettinen fysiikka ", V osa).

Katso myös

Termodynaamiset potentiaalit
Sisäinen energia Entalpia Helmholtzin vapaata energiaa Gibbsin energiaa Suuri termodynaaminen potentiaali
Portaali "fysiikka"