Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Енергія Гіббса


Thermodynamics navigation image.svg

План:


Введення

Вільна енергія Гіббса (або просто енергія Гіббса, або потенціал Гіббса, або термодинамічний потенціал у вузькому сенсі) - це величина, що показує зміну енергії в ході хімічної реакції і дає таким чином відповідь на принципову можливість протікання хімічної реакції; це термодинамічний потенціал такого вигляду:

\, \! G = U + PV-TS,

Енергію Гіббса можна розуміти як повну хімічну енергію системи (кристала, рідини і т. д. )

Поняття енергії Гіббса широко використовується в термодинаміці і хімії.

Мимовільне протікання ізобарно-ізотермічного процесу визначається двома факторами: ентальпійним, пов'язаних зі зменшенням ентальпії системи (ΔH), і ентропійних T ΔS, обумовленим збільшенням безладу в системі внаслідок зростання її ентропії. Різниця цих термодинамічних факторів є функцією стану системи, званої ізобарно-ізотермічним потенціалом або вільною енергією Гіббса (G, кДж)


1. Визначення

Класичним визначенням енергії Гіббса є вираз

\, \! G = U + PV-TS,

де U - внутрішня енергія, P - тиск, V - обсяг, T - Абсолютна температура, S - ентропія.

Диференціал енергії Гіббса для системи з постійним числом частинок, виражений у власних змінних - через тиск p і температуру T:

\, \! DG =-S \, dT + V \, dP.

Для системи з змінним числом частинок цей диференціал записується так:

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

Тут \ Mu - хімічний потенціал, який можна визначити як енергію, яку необхідно затратити, щоб додати в систему ще одну частку.


2. Зв'язок з термодинамічної стійкістю системи

Покажемо, що мінімум потенціалу Гіббса відповідає сталого рівноваги термодинамічної системи з фіксованими температурою, тиском і числом частинок.

Запишемо узагальнену рівняння перший і друга почав термодинаміки :

\, \! T \, dS \ geqslant dU + p \, dV.

При \, \! P = \ mathrm {const}, \; T = \ mathrm {const} .

\, \! D (U + pV-TS) \ leqslant 0.
\, \! D (G) \ leqslant 0.

Таким чином в системі при постійних температурі і тиску енергія Гіббса досягає мінімального значення.


3. Застосування в хімії

3.1. Зв'язок з хімічним потенціалом

Використовуючи властивості екстенсивності термодинамічних потенціалів, математичним наслідком яких є співвідношення Гіббса-Дюгема, можна показати, що хімічний потенціал для системи з одним типом частинок є відношення енергії Гіббса до числа частинок в системі:

\, \! \ Mu = \ frac {G} {N}.

Якщо система складається з частинок кількох сортів i з числом N_i часток кожного сорту, то співвідношення Гіббса-Дюгема призводять до вираження

G (p, T, N_1 \ dots) = \ mu_1 N_1 + \ mu_2 N_2 + \ dots

Хімічний потенціал застосовується при аналізі систем з перемінним числом частинок, а також при вивченні фазових переходів. Так, виходячи з співвідношень Гіббса-Дюгема і з умов рівності хімічних потенціалів \ Mu_1 = \ mu_2 знаходяться в рівновазі один з одним фаз, можна отримати рівняння Клапейрона-Клаузіуса, що визначає лінію співіснування двох фаз в координатах (P, T) через термодинамічні параметри (питомі обсяги) фаз і теплоту переходу між фазами.


3.2. Енергія Гіббса і напрям протікання реакції

У хімічних процесах одночасно діють два протилежних фактора - ентропійний ( T \ Delta S ) І ентальпійний ( \ Delta H ). Сумарний ефект цих протилежних факторів у процесах, що протікають при постійному тиску і температурі, визначає зміна енергії Гіббса ( G ):

\, \! \ Delta G = \ Delta H-T \ Delta S.

З цього виразу випливає, що ~ \ Delta H = \ Delta G + T \ Delta S , Тобто деякий кількість теплоти витрачається на збільшення ентропії ( T \ Delta S ), Ця частина енергії втрачена для здійснення корисної роботи, її часто називають пов'язаної енергією. Інша частина теплоти ( \ Delta G ) Може бути використана для здійснення роботи, тому енергію Гіббса часто називають також вільною енергією.

Характер зміни енергії Гіббса дозволяє судити про принципову можливість здійснення процесу. При \ Delta G <0 процес може протікати, при \ Delta G> 0 процес протікати не може (іншими словами, якщо енергія Гіббса в початковому стані системи більше, ніж в кінцевому, то процес принципово може протікати, якщо навпаки - то не може). Якщо ж \ Delta G = 0 , То система знаходиться в стані хімічної рівноваги.

Зверніть увагу, що мова йде виключно про принципову можливість протікання реакції. В реальних же умовах реакція може не починатися і при дотриманні нерівності \ Delta G <0 (По кінетичним причин).

Існує корисне співвідношення, що зв'язує зміна вільної енергії Гіббса ~ \ Delta G в ході хімічної реакції з її константою рівноваги ~ K :

~ \ Delta G =-RT \ cdot \ ln K.

Взагалі кажучи, будь-яка реакція може бути розглянута як оборотна (навіть якщо на практиці вона такою не є). При цьому константа рівноваги визначається як

~ K = \ frac {k_1} {k_ {-1}},

де ~ K_1 - константа швидкості прямої реакції, ~ K_ {-1} - Константа швидкості зворотної реакції.


4. Історична довідка

Енергія Гіббса названа на честь одного із засновників термодинаміки, Джозаі Вілларда Гіббса.

Література


Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Парадокс Гіббса
Розподіл Гіббса
Енергія
Темна енергія
Дулова енергія
Внутрішня енергія
Вільна енергія
Енергія активації
Енергія (РКК)
© Усі права захищені
написати до нас