吉布斯自由能变化

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介绍

吉布斯自由能变化与热力学第二定律有关，热力学第二定律指出系统的熵以及周围环境的熵必须始终增加。熵是系统能量位移的度量，如果它能够储存能量。因此，吉布斯自由能对于理解许多方程式至关重要，因为它阐明并简化了宇宙中所有自发事件。

在恒定温度和压力下，可以转化为功的内能的一部分称为自由能。自由能具有能量的特性，其值由系统的状态决定，而不是由其历史决定。如果化学过程中反应物的吉布斯自由能大于产物的自由能，则熵增加，并且该过程变得自发。

吉布斯自由能简介

它作为热力学参数来估计在恒定压力和温度下，热力学隔离系统可以完成的最大功。它也作为在这些条件下可能发生的化学过程等过程的先决条件。

在恒定压力和温度下，自由能变化是非膨胀且可以从封闭环境中提取的最大功。此限制只能通过可逆方法达到。

在任何条件下，都可以量化反应过程中系统自由能发生的改变。如果数据是在标准状态条件下收集的，则得到反应的吉布斯自由能标准值。

$$\mathrm{\Delta\:G\circ\:=\:\Delta\:H\circ\:-\:T\Delta\:S\circ\:}$$

描述系统自由能的方程很有用，因为它可以突出熵和焓部分作为特定反应主要驱动力时的相对重要性。两种力的平衡控制着过程是否自发以及在反应过程中系统自由能的变化量化。

吉布斯能量

在19世纪中期，约西亚·吉布斯发明了吉布斯能量。他最初将系统中的这种能量称为“可用能量”。他1873年发表的一篇论文详细介绍了如何使用他的方程式来预测系统在连接时的行为。与化学反应相关的能量可用于做功，它是系统焓减去熵和温度的乘积。

$$\mathrm{\Delta\:G\:=\:\Delta\:H\:-\:T\Delta\:S}$$

𝛥𝐺可以认为是在恒定压力和温度下存在的可用功的数量。首先，假设在恒定压力和温度下给定的反应是唯一发生的反应。系统释放或吸收的熵对应于周围环境必须吸收或释放的熵。只有当宇宙的总熵变为0或正时，反应才会被允许。这产生一个负的𝛥𝐺，并且该反应被称为放能过程。

在恒定温度和压力下，可以转化为功的内能的一部分称为自由能。在恒定温度下，可以转化为功的焓的一部分。

因此，它是自由焓，而TS是被限制的焓或可能是等温不可及的焓。因此，“自由焓”似乎比其他名称“吉布斯自由能”或“吉布斯势”更好。在热力学中，处于平衡状态的系统具有自由能，这是一种类似能量的属性或状态函数。自由能具有能量的特性，其值由系统的状态决定，而不是由其历史决定。

自由能与平衡常数之间的关系

反应的标准自由能变化G°类似于反应物和产物在其标准状态下的自由能形成变化，并且与反应在平衡时的任何阶段的自由能变化delta G有关。解释如下：

$$\mathrm{\Delta\:G\:=\:\Delta\:G\circ\:+\:RTlnk_{eq}}$$

Q=反应商。

在平衡状态下，∆G变为0，反应商变为平衡常数。

$$\mathrm{\Delta\:G\circ\:=\:-RTlnk_{eq}}$$

$$\mathrm{\Delta\:G\circ\:=\:-2.303RTlnk_{eq}}$$

$\mathrm{R\:=\:8.314\:I/mol/k}$

如果化学过程中反应物的吉布斯自由能大于产物的自由能，则熵增加，并且该过程变得自发。

吉布斯自由能与电池电动势之间的关系

电池可获得的最大功是通过其传输电荷的最大电动势乘以每摩尔流动的电荷。

$$\mathrm{\Delta\:G\:=\:-nFE_{cell}}$$

其中

$\mathrm{E_{cell}\:=\:电池的电动势}$

n = 电子数

$\mathrm{F\:=\:96500\:Cmol^{-1}}$

结论

可以得出结论，吉布斯自由能是热力学系统以能量形式产生的可用功的度量。它用G表示。需要吉布斯自由能或G、焓和熵的值进行计算。焓是物理或化学系统的热含量度量。

熵是在任何给定单位温度下系统中产生的热能量，这些能量无法用于有意义的工作。$\mathrm{\Delta\:G\circ\:=\:\Delta\:H\circ\:-\:T\Delta\:S\circ\:}$是计算自由能的公式。它在物质的标准状态下运行，对应于标准条件，例如1摩尔浓度、1个大气压和298开尔文。如果化学反应中反应物的吉布斯自由能超过产物的自由能，则熵会增加，并且该过程会变得自发。

常见问题

1. 为什么吉布斯自由能在平衡时为0？

在平衡状态下，系统处于动态平衡状态。正向和逆向反应同时存在。如果正向方向的吉布斯能量变化为G，则逆向方向的吉布斯能量变化为-G。因此，在平衡状态下，吉布斯能量为0。

2. 温度对吉布斯自由能有什么影响？

随着温度升高，自由能的值降低。如果𝛥𝑆为正，则随着温度升高，−𝑇𝛥𝑆变得越来越负。因此，自由能降低。

3. 为什么相变的自由能为0？

在相变时，自由能并不总是零。但是，由于吉布斯函数本质上取决于热力学变量p和T，并且因为当p和T恒定时，摩尔吉布斯函数在相变过程中很可能保持恒定。

4. 吉布斯自由能的影响是什么？

吉布斯能量会影响电化学电池的电势以及可逆过程的平衡值

5. 什么导致熵发生变化？

当物质被分成多个组分时，熵会增加。因为溶质颗粒在溶液形成时彼此分离，所以溶解过程会增加熵。随着温度升高，熵会增加。