Свободная энергия Гиббса

Свободная энергия Гиббса
Термодинамические потенциалы
Статья является частью серии «Термодинамика».
Внутренняя энергия
Энтальпия
Свободная энергия Гельмгольца
Энергия Гиббса
Большой термодинамический потенциал (Ω)
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править

Определение

Энергией Гиббса (или потенциалом Гиббса, или просто термодинамическим потенциалом в узком смысле) называют термодинамический потенциал следующего вида:

  • \,\!G=U+PV-TS,

где U — внутренняя энергия, P — давление, V — объем, T — абсолютная температура, S — энтропия. Энергию Гиббса можно понимать как полную химическую энергию системы (кристалла, жидкости и т.д.)

Дифференциал энергии Гиббса для системы с постоянным числом частиц:

  • \,\!dG=-S dT + V dP.

Для системы с переменным числом частиц этот дифференциал записывается так:

  • \,\!dG=-S dT + V dP + \mu dN.

Здесь μ — химический потенциал, который можно определить как энергию, которую необходимо затратить, чтобы добавить в систему ещё одну частицу.

Можно показать, что химический потенциал есть отношение энергии Гиббса к числу частиц в системе:

  • \,\!\mu=\frac{G}{N}.

Химический потенциал применяется при анализе систем с переменным числом частиц, а также при изучении фазовых переходов.

Показажем, что минимум потенциала Гиббса соответствует устойчивому равновесию термодинамической системы с фиксированными температурой, давлением и числом частиц.

Запишем обобщенное уравнение первого и второго начал термодинамики:

  • \,\!TdS \geq dU + pdV.

При * \,\!P=const, T = const.

  • \,\!d(U + pV -TS) \leq 0.
  • \,\!d(G) \leq 0

Таким образом в системе при простоянных температуре и давлении энергия Гиббса достигает минимального значения

Применение в химии

В химических процессах одновременно действуют два противоположных фактора — энтропийный (TΔS) и энтальпийный (ΔH). Суммарный эффект этих противоположных факторов в процессах, протекающих при постоянном давлении и температуре, определяет изменение энергии Гиббса (G):

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

Из этого выражения следует, что ~\Delta H = \Delta G + T \Delta S, то есть некоторое количество теплоты расходуется на увеличении энтропии (TΔS), эта часть энергии потеряна для совершения полезной работы, её часто называют связанной энергией. Другая часть теплоты (ΔG) может быть использована для совершения работы, поэтому энергию Гиббса часто называют также свободной энергией.

Характер изменения энергии Гиббса позволяет судить о принципиальной возможности осуществления процесса. При ΔG < 0 процесс может протекать, при ΔG > 0 процесс протекать не может (иными словами, если энергия Гиббса в исходном состоянии системы больше, чем в конечном, то процесс принципиально может протекать, если наоборот — то не может). Если же ΔG = 0, то система находится в состоянии химического равновесия.

Обратите внимание, что речь идёт исключительно о принципиальной возможности протекания реакции. В реальных же условиях реакция может не начинаться и при соблюдении неравенства ΔG < 0 (по кинетическим причинам).

Существует полезное соотношение, связвающее изменение свободной энергии Гиббса ~{\Delta}G в ходе химической реакции с ее константой равновесия ~K:

~{{\Delta}G}=-RT{\cdot}{{\rm{ln}}{ \left( K \right)}}

Вообще говоря, любая реакция может быть рассмотрена как обратимая (даже если на практике она таковой не является). При этом константа равновесия определяется как

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

где ~k_{1} — константа скорости прямой реакции, ~k_{-1} — константа скорости обратной реакции. Энергия Гиббса названа в честь одного из основателей термодинамики, Джозайя Уилларда Гиббса.

Литература


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Свободная энергия Гиббса" в других словарях:

  • свободная энергия (Гиббса) — Составляющая общей энергии системы, работающая при постоянной температуре и давлении [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN free energy …   Справочник технического переводчика

  • свободная энергия Гиббса — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN Gibbs free energy …   Справочник технического переводчика

  • свободная энергия Гиббса — laisvoji Gibso energija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dydis, išreiškiamas formule: G = U + pV TS; čia U – termodinaminė arba vidinė energija, p – slėgis, V – tūris, S – entropija, T – termodinaminė temperatūra.… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • свободная энергия Гиббса — laisvoji Gibso energija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminis potencialas, kurio nepriklausomieji kintamieji yra dalelių skaičius, temperatūra, slėgis ir kitos apibendrintos jėgos. atitikmenys: angl. Gibbs… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • свободная энергия Гиббса — laisvoji Gibso energija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Gibbs free energy vok. Gibbsche freie Energie, f rus. свободная энергия Гиббса, f pranc. énergie libre de Gibbs, f …   Fizikos terminų žodynas

  • удельная свободная энергия Гиббса — savitoji laisvoji Gibso energija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. massic Gibbs free energy; specific Gibbs free energy vok. spezifische Gibbs freie Energie, f rus. удельная свободная энергия Гиббса, f pranc. énergie libre de Gibbs… …   Fizikos terminų žodynas

  • Энергия Гиббса —     Термодинамические потенциалы …   Википедия

  • Свободная энергия — Термином «свободная энергия» обозначают один из двух термодинамических потенциалов: Свободная энергия Гельмгольца,   в этом значении термин обычно употребляется в физике. Свободная энергия Гиббса,   в этом значении термин обычно… …   Википедия

  • энергия Гиббса — энергия Гиббса; изобарно изотермический потенциал; отрасл. свободная энтальпия Функция состояния системы (G), определяемая разностью между энтальпией (Н) и произведением термодинамической температуры (Т) на энтропию (S) ; G = H TS …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • Свободная энергия Гельмгольца — У этого термина существуют и другие значения, см. Свободная энергия.     Термодинамические потенциалы …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»