Энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал)

Для изучения открытых и закрытых систем в термодинамике используют так называемые термодинамические потенциалы, к числу которых относится изобарно-изотермический потенциал G. Понятие об этом потенциале было введено на основе объединенного уравнения первого и второго закона термодинамики.

В конечном итоге: , или .

Величину G называют свободной энергией Гиббса, или изобарно-изотермическим потенциалом. Из выражения следует:

– если система самопроизвольно совершает работу (А > 0), то Δ G < 0, т.е. процесс самопроизвольный;

– если система не совершает работу, то А = 0 и Δ G = 0, т.е. система находится в состоянии термодинамического равновесия.

Энергия Гиббса − функция состояния, зависит только от начального и конечного состояний системы и определяет направление и предел самопроизвольного протекания процесса в закрытой системе, находящейся в изобарно-изотермических условиях.

Направление и предел самопроизвольного протекания процесса в закрытых системах определяет принцип минимума свободной энергии:

Самопроизвольно могут протекать только те процессы, которые приводят к понижению свободной энергии системы. Система приходит в состояние равновесия, когда свободная энергия достигает минимального значения.

Для изобарно-изотермических условий (P = const, T = const):

1)если Δ G < 0, то возможен самопроизвольный процесс;

2)если Δ G = 0, то наступает состояние равновесия, реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, т.е. реакция обратима;

3)если Δ G > 0, то процесс в прямом направлении невозможен, однако для обратного процесса будет выполняться соотношение
Δ G < 0.

Энтальпийный и энтропийный факторы. Выражение для свободной энергии Гиббса можно написать и в другом виде:

, (11)

или

. (12)

Значение Δ Н называется энтальпийным фактором, значение Т ∙ Δ S – энтропийным фактором. Как видно, энтальпия химической реакции включает в себя две части. Первая часть (первый член этого уравнения) Δ G равна максимальной работе W _p^max, которую может совершить система при равновесном проведении процесса в изобарно-изотермических условиях.

Следовательно, энергия Гиббса – это часть энергетического эффекта химической реакции, которую можно превратить в работу:

. (13)

Поскольку энергию Гиббса можно превратить в работу, то ее также называют свободной энергией.

Второй член правой части уравнения (энтропийный фактор) представляет собой часть энергетического эффекта, которую невозможно превратить в работу.

Эта часть эффекта рассеивается в окружающую среду в виде теплоты. Поэтому энтропийный фактор T ∙ Δ S называют связанной энергией.

Энтальпийный фактор характеризует cтремление системы к минимуму полной энергии, энтропийный фактор характеризует стремление системы к максимуму беспорядка. Рассмотрим изменение свободной энергии Гиббса в зависимости от изменения этих двух факторов.

Первый случай. Пусть Δ Н < 0 (экзотермический процесс), а Т ∙ Δ S > 0. Тогда из формулы Δ G = Δ Н – Т ∙ Δ S видно, что Δ G < 0 и процесс протекает самопроизвольно.

Второй случай. Δ Н > 0 (эндотермический процесс), Т ∙ Δ S < 0, тогда Δ G > 0. В этом случае самопроизвольный процесс не протекает, но может протекать при затрате энергии из окружающей среды.

Третий случай. Δ Н = Т ∙ Δ S, тогда Δ G = 0. Наступает термодинамическое равновесие в системе.

Четвертый случай. Δ Н < 0 и Т ∙ Δ S < 0,Δ Н > 0 и Т ∙ Δ S > 0. В этом случае значение Δ G зависит от того, какая из величин больше: Δ Н или Т ∙ Δ S.

Если Т ∙ Δ S >>Δ Н, то Δ G < 0; если Т ∙ Δ S << Δ Н, то Δ G < 0.

Расчет Δ G в химических реакциях: