ΕΞΙΣΩΣΗ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ GIBBS
Ο Αμερικανός επιστήμονας Josiah Willard Gibbs εφηύρε την εξίσωση ελεύθερης ενέργειας του Gibbs τη δεκαετία του 1870. Είπε ότι η ενέργεια είναι μια «διαθέσιμη ενέργεια» σε ένα σύστημα. Τα οφέλη των θερμοδυναμικών νόμων και της εξίσωσης ελεύθερης ενέργειας του Gibb είναι ότι μειώνουν το πειραματικό κόστος και τον χρόνο.
Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs βασίζεται στον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, που σημαίνει ότι «σε ένα απομονωμένο σύστημα η εντροπία ενός συστήματος αυξάνεται πάντα εάν δεν υπάρχει πρόσθετη δύναμη». Για παράδειγμα, εάν διατηρήσουμε ζεστό μέταλλο και κρύο μέταλλο μαζί, η θερμότητα θα περάσει μόνο από το ζεστό μέταλλο στο κρύο μέταλλο.
Εξίσωση ελεύθερης ενέργειας Gibbs
Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs ορίζεται ως η ενθαλπία του συστήματος μείον τα προϊόντα της θερμοκρασίας και της εντροπίας του συστήματος. Εδώ, η μονάδα SI για την ελεύθερη ενέργεια Gibbs είναι Joules. Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs μπορεί να εξισορροπήσει τις πιθανές κινητήριες δυνάμεις των χημικών αντιδράσεων.
G =H-TS Όπου,
G – Gibbs free Energy
H – Ενθαλπία
T – Θερμοκρασία
S – Εντροπία
Εντροπία (S):
Η εντροπία ορίζεται ως μια θερμική ενέργεια ανά μονάδα θερμοκρασίας που δεν είναι διαθέσιμη στο σύστημα για να κάνει χρήσιμη εργασία. Η μονάδα SI για την εντροπία είναι Joule / Kelvin.
Ενθαλπία (Η):
Η ενθαλπία ορίζεται ως το άθροισμα της εσωτερικής ενέργειας και του όγκου του χρόνου πίεσης. Η μονάδα SI για την ενθαλπία είναι Joule.
H =U + PV.
Εδώ, το "U" είναι Εσωτερική ενέργεια και η μονάδα SI για την εσωτερική ενέργεια είναι Joule.
Το "P" είναι Πίεση και η μονάδα SI για την πίεση είναι Pascal. Και το "V" είναι Volume, η μονάδα SI για τον όγκο είναι M3
Εάν συμβεί η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs, θα υπάρξει επίσης αλλαγή στην ενθαλπία και την εντροπία. Άρα, μπορούμε να εκφράσουμε ότι:Δ G =Δ H – Δ (TS)
Εάν η αντίδραση έχει λάβει χώρα σε σταθερή θερμοκρασία, μπορούμε να εκφράσουμε την εξίσωση ως εξής:
ΔG =ΔH – TΔS
Δ G =G (Τελικό) – G (Αρχικό)
Αν η διαδικασία συμβεί αυθόρμητα, η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs θα είναι "αρνητική" (ΔG)
Ακολουθούν μερικά παραδείγματα των εξισώσεων ελεύθερης ενέργειας του Gibb
-
Αυθόρμητη διαδικασία:
Εάν η αντίδραση συμβεί χωρίς καμία πρόσθετη δύναμη, είναι γνωστή ως αυθόρμητη διαδικασία, η οποία μπορεί να είναι πιο αργή ή ταχύτερη. Ο αυθορμητισμός του συστήματος δεν εξαρτάται από την κινητική ή την αντίδραση.
Παράδειγμα:Διαμάντι άνθρακα που μετατρέπεται σε γραφίτη
-
Μη αυθόρμητη διαδικασία:
Εάν η αντίδραση συμβεί με οποιαδήποτε πρόσθετη δύναμη είναι γνωστή ως μη αυθόρμητη διαδικασία.
Παράδειγμα:Λιώσιμο του πάγου σε νερό.
-
Εξεργονική διαδικασία:
Η εξεργονική αντίδραση ορίζεται ως μια αντίδραση όπου η ενέργεια απελευθερώνεται χωρίς καμία πρόσθετη δύναμη. Εδώ, η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια θα είναι αρνητική. επομένως, ΔG <0 (το "G" είναι Αρνητικό).
-
Ενεργονική διεργασία:
Ενεργονική αντίδραση ορίζεται ως μια αντίδραση όπου η ενέργεια απελευθερώνεται με οποιαδήποτε πρόσθετη δύναμη. Εδώ, η αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια θα είναι θετική. Η ενεργονική διαδικασία θα ενεργήσει προς την αντίστροφη κατεύθυνση για να ληφθεί περισσότερο υλικό εκκίνησης.
ΔG> 0 (το "G" είναι θετικό)
| ΔH <0 | ΔH> 0 | |
| ΔS> 0 | ΔG <0 | Το TΔS είναι Υψηλό Αυθόρμητο σε Υψηλό T |
| ΔS <0 | Το TΔS είναι μικρό-Αυθόρμητο σε χαμηλό T | ΔG> 0 |
-
Εάν το ΔG είναι αρνητικό για οποιοδήποτε μέσο αντίδρασης, το ΔH θα είναι αρνητικό και το ΔS θα είναι θετικό, το οποίο θα είναι μια αυθόρμητη διαδικασία.
-
Εάν το ΔG είναι Θετικό για οποιοδήποτε μέσο αντίδρασης, το ΔH θα είναι θετικό και το ΔS θα είναι Αρνητικό, το οποίο θα είναι μια μη αυθόρμητη διαδικασία.
-
Το ΔG είναι σταθερό στη χημική ισορροπία.
-
Το ΔG εξαρτάται από την τάση του στοιχείου στην ηλεκτροχημεία.
Παραδείγματα ελεύθερης ενέργειας Gibbs Υπολογισμός εξίσωσης:
Πρόβλημα:
Υπολογίστε την ελεύθερη ενέργεια Gibbs (G) για την ακόλουθη αντίδραση και βεβαιωθείτε ότι η αντίδραση συμβαίνει αυθόρμητα ή όχι; Η εντροπία (ΔS) της αντίδρασης είναι -284,8 J/K, η ενθαλπία (ΔΗ) της αντίδρασης είναι -176 KJ σε θερμοκρασία δωματίου 250 C.
NH3 + HCl NH4Cl
Λύση:
Δεδομένων δεδομένων,
Εντροπία, ΔS =– 284,8 J/K
Ενθαλπία, ΔH =– 176 KJ
Θερμοκρασία T = 250 C
Τύπος ενέργειας Gibbs, ΔG =ΔH – TΔS
ΔS =– 284,8 J/K x ( 1 KJ1000 J )
Εντροπία,ΔS =– 0,2848 KJ/K
T = 250 C + 273,15 K
Θερμοκρασία =298 K
Ελεύθερη ενέργεια Gibbs, ΔG =ΔH – TΔS
=-176 KJ – (298 K) (-0,2848 KJ/K)
=-176 KJ – ( -84,9 KJ)
Ελεύθερη ενέργεια Gibbs, ΔG =– 91,1 KJ
Δεδομένου ότι η ελεύθερη ενέργεια Gibbs (ΔG) είναι αρνητική, αυτή είναι μια αυθόρμητη διαδικασία σε θερμοκρασία δωματίου 250 C.
Συμπέρασμα
Η φόρμουλα ελεύθερης ενέργειας του Gibbs θα βοηθήσει στην εύρεση του αποτελέσματος των πειραμάτων πριν από την εκτέλεση της εργασίας, κάτι που θα επιτρέψει την εύρεση άλλων παραμέτρων όπως η Ενθαλπία (Δ H), η Εντροπία (Δ S) και η κατεύθυνση της διαδικασίας (Αυθόρμητη ή μη). Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs ορίζεται ως η ενθαλπία του συστήματος μείον τα προϊόντα της θερμοκρασίας και της εντροπίας του συστήματος.
