Jednostki energii swobodnej Gibbsa, jak to obliczyć, rozwiązane ćwiczenia

4178
Charles McCarthy

Plik Darmowa energia Gibbsa (potocznie nazywany G) jest potencjałem termodynamicznym definiowanym jako różnica entalpii H minus iloczyn temperatury T przez entropię S układu:

G = H - T S

Energię swobodną Gibbsa mierzy się w dżulach (zgodnie z systemem międzynarodowym), w ergach (w układzie jednostek dziesiętnych), w kaloriach lub w elektronowoltach (dla napięcia elektrycznego).

Rysunek 1. Diagram przedstawiający definicję energii Gibbsa i jej związek z innymi potencjałami termodynamicznymi. Źródło: nucle-power.net.

W procesach zachodzących przy stałym ciśnieniu i temperaturze zmiana energii swobodnej Gibbsa wynosi ΔG = ΔH - T ΔS. W takich procesach (G) reprezentuje energię dostępną w systemie, którą można przekształcić w pracę.

Na przykład w egzotermicznych reakcjach chemicznych entalpia spada, podczas gdy entropia wzrasta. W funkcji Gibbsa przeciwdziała się tym dwóm czynnikom, ale tylko wtedy, gdy energia Gibbsa spada, reakcja zachodzi spontanicznie..

Tak więc, jeśli wariacja G jest ujemna, proces jest spontaniczny. Kiedy funkcja Gibbsa osiąga minimum, układ osiąga stabilny stan równowagi. Podsumowując, w procesie, w którym ciśnienie i temperatura pozostają stałe, możemy stwierdzić:

- Jeśli proces jest spontaniczny, wówczas ΔG < 0

- Gdy system jest w równowadze: ΔG = 0

- W procesie niespontanicznym G wzrasta: ΔG> 0.

Indeks artykułów

  • 1 Jak to jest obliczane?
    • 1.1 - Krok po kroku
    • 1.2 - Relacje termodynamiczne Maxwella
  • 2 ćwiczenia rozwiązane
    • 2.1 Ćwiczenie 1
    • 2.2 Ćwiczenie 2
    • 2.3 Ćwiczenie 3
  • 3 Odnośniki

Jak to jest obliczane?

Energię swobodną Gibbsa (G) oblicza się według definicji podanej na początku:

G = H - T⋅S

Z kolei entalpia H jest potencjałem termodynamicznym zdefiniowanym jako:

H = U + P V

- Krok po kroku

Następnie zostanie przeprowadzona analiza krok po kroku, aby poznać zmienne niezależne, których funkcją jest energia Gibbsa:

1- Z pierwszej zasady termodynamiki wynika, że ​​energia wewnętrzna U jest związana z entropią S układu i jego objętością V dla procesów odwracalnych poprzez zależność różniczkową:

dU = dQ - dW = TdS - PdV

Z tego równania wynika, że ​​energia wewnętrzna U jest funkcją zmiennych S i V:

U = U (S, V)

2- Zaczynając od definicji H i biorąc różniczkę, otrzymujemy:

dH = dU + d (P V) = dU + VdP + PdV

3- Zastępując wyrażenie na dU otrzymane w (1) otrzymujemy:

dH = TdS - PdV + VdP + PdV = TdS + VdP

Z tego wynika, że ​​entalpia H zależy od entropii S i ciśnienia P, to znaczy:

H = H (S, P)

4- Teraz oblicza się całkowitą różnicę energii swobodnej Gibbsa, uzyskując:

dG = dH -TdS -SdT = TdS + VdP -TdS -SdT

Gdzie dH zostało zastąpione wyrażeniem znalezionym w (3).

5- Wreszcie, upraszczając, otrzymujemy: dG = VdP - SdT, jest jasne, że energia swobodna G zależy od ciśnienia i temperatury T jako:

G = G (P, T)

- Relacje termodynamiczne Maxwella

Z analizy w poprzedniej sekcji wynika, że ​​energia wewnętrzna układu jest funkcją entropii i objętości:

U = U (S, V)

Następnie różnica LUB będzie:

dU = ∂SU |V dS + ∂VU |S dV = TdS - PdV

Z tego częściowego wyrażenia pochodnego można wyprowadzić tak zwane zależności termodynamiczne Maxwella. Pochodne cząstkowe mają zastosowanie, gdy funkcja zależy od więcej niż jednej zmiennej i można je łatwo obliczyć, stosując twierdzenie z następnej sekcji.

Pierwszy związek Maxwella

 ∂VT |S = -∂SP |

Aby dojść do tego związku, plik Twierdzenie Clairauta-Schwarza w sprawie pochodnych częściowych, który stwierdza, co następuje:

„Mieszane pochodne drugiego rzędu z wymienionymi zmiennymi są równe, o ile otrzymywane funkcje są ciągłe i różniczkowalne”.

Drugi związek Maxwella

Na podstawie tego, co pokazano w punkcie 3 poprzedniej sekcji:

H = H (S, P) i dH = TdS + VdP

Można go uzyskać:

 ∂P.T |S = ∂SV |P. 

Podobnie postępujemy z energią swobodną Gibbsa G = G (P, T) oraz z darmową energią Helmholtza F = F (T, V) aby uzyskać pozostałe dwie zależności termodynamiczne Maxwella. 

Rysunek 2. Josiah Gibbs (1839-1903) był amerykańskim fizykiem, chemikiem i matematykiem, który wniósł wielki wkład w termodynamikę. Źródło: Wikimedia Commons.

Cztery zależności termodynamiczne Maxwella 

1- Związane z energią wewnętrzną U: VT |S = -∂SP |V

2- Ten uzyskany z entalpii H: P.T |S = ∂SV |P. 

3- Związane z energią Helmholtza F: TP |V = ∂VS |T 

4- Powiązane z energią swobodną Gibbsa G: TV |P. = -∂P.S |T

Rysunek 2. Energia Gibbsa zależy od ciśnienia i temperatury. Każda powierzchnia reprezentuje fazę. (serc.carleton.edu)

Rozwiązane ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz zmianę wolnej energii Gibbsa dla 2 moli gazu doskonałego w temperaturze 300 K podczas izotermicznej ekspansji, która przenosi system z początkowej objętości 20 litrów do końcowej objętości 40 litrów.

Rozwiązanie

Przywołując definicję darmowej energii Gibbsa mamy:

G = H - T S

Wtedy skończona odmiana F będzie:

ΔG = ΔH - T ΔS, ponieważ ΔT = 0

W gazach doskonałych entalpia zależy tylko od ich temperatury bezwzględnej, ale ponieważ jest to proces izotermiczny, wówczas ΔH = 0 i ΔG = - T ΔS.

Dla gazów doskonałych zmiana entropii procesu izotermicznego wynosi: 

ΔS = nR ln (Vdwa/ V1)

To, co odnosi się do przypadku tego ćwiczenia, pozostaje:

ΔS = 2 mole x 8,314 J / (K-mol) x ln (40 l / 20 l) = 11,53 J / K

Wtedy możemy uzyskać zmianę energii Helmholtza:

ΔG = - 300 K x 11,53 J / K = -3457,70 J.

Ćwiczenie 2

Biorąc pod uwagę, że energia swobodna Gibbsa jest funkcją temperatury i ciśnienia G = G (T, P); określić zmianę G podczas procesu, w którym temperatura się nie zmienia (izotermiczna) dla n moli jednoatomowego gazu doskonałego.

Rozwiązanie

Jak wykazano powyżej, zmiana energii Gibbsa zależy tylko od zmiany temperatury T i objętości V, więc jej nieskończenie mała zmienność jest obliczana zgodnie z:

dG = -SdT + VdP

Ale jeśli jest to proces, w którym temperatura jest stała, to dF = + VdP, więc skończona zmiana ciśnienia ΔP prowadzi do zmiany energii Gibbsa podanej przez:

ΔG = + ∫ VdP = + ∫ (n R T) dP / P = + n R T ln (ΔP)

Korzystając z równania gazu doskonałego:

P V = n R T

Podczas procesu izotermicznego zdarza się, że:

d (P V) = P dV + V dP = 0

To jest:

dP / P = - dV / V

Zatem powyższy wynik można zapisać jako funkcję zmiany objętości ΔV:

ΔG = + ∫ VdP = + ∫ (n R T) dP / P = - ∫ (n R T) dV / V = ​​-n R T ln (ΔV)

Ćwiczenie 3

Biorąc pod uwagę następującą reakcję chemiczną:

Ndwa0 (g) + (3/2) Odwa (g) ↔️ 2 NOdwa (g) w temperaturze T = 298 K.

Znajdź zmianę energii swobodnej Gibbsa i wykorzystując otrzymany wynik, wskaż, czy jest to proces spontaniczny.

Rozwiązanie

Oto kroki:

- Krok pierwszy: entalpie reakcji

ΔHr = 2 * ΔH (NOdwa (g)) - ΔH (Ndwa0 (g)) = 2 * 33,2-81,6 = -15,2 kJ / mol

- Drugi krok: zmienność entropii reakcji

ΔSr = 2 * S (NOdwa (g)) - S (Ndwa0 (g)) - (3/2) S (Odwa (g)) = 2 * 240,1 - 220,1 - 1,5 * 205,2 = -47,7 J / (mol * K).

- Trzeci krok: wariacja w funkcji Gibbsa

Wartość ta określi równowagę między malejącą energią a rosnącą entropią, aby wiedzieć, czy ostatecznie reakcja jest spontaniczna, czy nie.

ΔGr = ΔHr - T ΔSr = -15,2 -298 * (- 47,7) = -985,4 J / mol

Ponieważ jest to ujemna zmiana energii Gibbsa, można wnioskować, że jest to reakcja spontaniczna w temperaturze 298 K = 25 ºC.

Bibliografia

  1. Kasztany E. Ćwiczenia darmowej energii. Odzyskany z: lidiaconlaquimica.wordpress.com.
  2. Cengel, rok 2012. Termodynamika. 7th Edition. Mcgraw hill.
  3. Libretexts. Darmowa energia Gibbsa. Źródło: chem.libretexts.org
  4. Libretexts. Co to są darmowe energie. Źródło: chem.libretexts.org
  5. Wikipedia. Darmowa energia Gibbsa. Odzyskany z: es.wikipedia.com
  6. Wikipedia. Darmowa energia Gibbsa. Odzyskany z: en.wikipedia.com

Jeszcze bez komentarzy