Термодинамические функции состояния - энергия Гиббса, энергия Гельмгольца

Термодинамические функции состояния: энергия Гиббса, энергия Гельмгольца. Критерий самопроизвольного протекания химических процессов в закрытых системах. Методы расчета изменения энергии Гиббса. Реакции при стандартных условиях.

Реальные процессы проводятся, как правило, в закрытых системах в изобарно-изотермических (р,Т=соnst)

 или изохорно-изотермических (V, Т= соnst)  условиях. Критерием направленности самопроизвольного процесса в этих случаях является знак изменения энергии Гиббса êG или энергии Гельмгольца êА в системе.

Энергия Гиббса G = Н –ТS = U + рV –ТS.

Энергия Гельмгольца А = U – ТS, при этом  G = f(р,Т); А = f(V,Т).

Уравнения также можно представить в виде:  Н = G +ТS;  U =  А  + ТS. Где величина ТS характеризует связанную с частицами системы энергию, т.е. ту часть полной энергии системы, которая рассеивается в окружающей среде в виде теплоты (так называемая потерянная работа).

Энергия Гиббса (или энергия Гельмгольца) характеризуют ту часть полной энергии системы, которая может быть превращена в работу в изобарно-изотермическом (или в изохорно-изотермическом) процессе (так называемая  полезная работа, совершаемая системой). Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца являются функциями состояния системы, их абсолютные значения не поддаются вычислению.

В закрытой системе знак изменения энергии Гиббса является критерием направленности самопроизвольного процесса при проведении его в изобарно-изотермических условиях:

- при êG = 0 (G=G_min , энергия Гиббса имеет минимальное значение) система находится в состоянии термодинамического равновесия;

Рекомендуемые материалы

- при êG < 0 (Ga G_min , энергия Гиббса убывает) процесс самопроизвольно протекает в прямом направлении, т.е. термодинамически возможен;

- при êG > 0 (Ga G_min, энергия Гиббса возрастает) самопроизвольно протекает только обратный процесс, прямой процесс термодинамически невозможен.

Стандартную энергию Гиббса химической реакции при Т = 298К можно рассчитать двумя способами: используя уравнение Гиббса-Гельмгольца: ê_rG_Т⁰ = ê_r Н_Т⁰ - Тê_rS_Т⁰, в которое нужно подставить указанное значение Т, и по стандартным энергиям Гиббса образования исходных веществ и продуктов реакции ê_fG₂₉₈⁰.

Стандартную энтальпию реакции ê_r Н₂₉₈⁰ находят по первому

ê_rН₂₉₈^О = Sn^'_i ê_fН^' _298i ^О -Sn_i ê_fН _{298 i} ^О

                              ^{i                                  i}

или второму следствию из закона Гесса

ê_rН₂₉₈^О = Sn^'_i ê_сН^' _298i ^О -Sn_i ê_сН _{298 i} ^О

                            ^{i                                  i}

а стандартную энтропию реакции

ê_rS₂₉₈^О = Sn^' _i S^' ₂₉₈ ^О -Sn_i S₂₉₈ ^О.

                           ^{i                           i}

Информация в лекции "10.5 Проверки значимости и доверительные интервалы средних" поможет Вам.

При расчете необходимо учитывать, что единицей измерения энтальпии является килоджоуль, а энтропии Дж/К.

Энергия Гиббса является функцией состояния системы, поэтому ее можно рассчитать с использованием табличных значений стандартных энергий Гиббса образования исходных веществ и продуктов реакции

ê_rG₂₉₈^О = Sn^'_i ê_fG^' _298i ^О -Sn_i ê_fG _{298 i} ^О

                            ^{i                                  i}

Стандартной энергией Гиббса образования вещества ê_fG₂₉₈ ^О называют стандартную энергию Гиббса реакции образования 1 моль данного соединения из простых веществ, находящихся в термодинамически устойчивых модификациях, которая проведена в стандартных термодинамических условиях.

В отсутствие справочных данных по ê_fG₂₉₈ ^О какого-либо сложного вещества эту величину можно вычислить по уравнениюê_fG₂₉₈^О =  ê_fН₂₉₈ ^О - 298 ê_f S ₂₉₈ ^О, где ê_fН₂₉₈ ^О и ê_f S ₂₉₈ ^О – стандартные энтальпия и энтропия соответственно реакции образования 1 моль этого соединения из простых веществ, находящихся в термодинамически устойчивых состояниях, проведенной при стандартных термодинамических условиях.