In der Thermodynamik, der Gibbs freie Energie (hat IUPAC Namen: Energie von Gibbs oder Funktion von Gibbs empfohlen; auch bekannt als freier enthalpy, um es von Helmholtz freie Energie zu unterscheiden) ist ein thermodynamisches Potenzial, das die "nützliche" oder Prozess beginnende Arbeit misst, die von einem thermodynamischen System bei einer unveränderlichen Temperatur und Druck erreichbar ist (isothermisch, isobaric). Ebenso in der Mechanik, wo potenzielle Energie als Kapazität definiert wird, Arbeit zu tun, haben ähnlich verschiedene Potenziale verschiedene Bedeutungen. Gibbs freie Energie ist der maximale Betrag der Nichtvergrößerungsarbeit, die aus einem geschlossenen System herausgezogen werden kann; dieses Maximum kann nur in einem völlig reversiblen Prozess erreicht werden. Wenn sich ein System von einem bestimmten anfänglichen Staat bis einen bestimmten Endstaat, der Gibbs ändert, kommt freie Energie ΔG der Arbeit gleich, die durch das System mit seinen Umgebungen minus die Arbeit der Druck-Kräfte während einer umkehrbaren Transformation des Systems von demselben anfänglichen Staat bis denselben Endstaat ausgetauscht ist.

Energie von Gibbs (auch verwiesen auf als G) ist auch das chemische Potenzial, das minimiert wird, wenn ein System Gleichgewicht am unveränderlichen Druck und der Temperatur erreicht. Seine Ableitung in Bezug auf die Reaktionskoordinate des Systems verschwindet am Gleichgewicht-Punkt. Als solcher ist es ein günstiges Kriterium der Spontaneität für Prozesse mit dem unveränderlichen Druck und der Temperatur.

Der Gibbs freie Energie, ursprünglich genannte verfügbare Energie, wurde in den 1870er Jahren vom amerikanischen Mathematiker Josiah Willard Gibbs entwickelt. 1873 hat Gibbs diese "verfügbare Energie" als beschrieben

Der anfängliche Staat des Körpers, gemäß Gibbs, soll solch sein, dass "der Körper gemacht werden kann, davon bis Staaten der ausschweifenden Energie durch reversible Prozesse zu gehen." In seinem 1876-Anderthalbliterflasche-Opus Auf dem Gleichgewicht von Heterogenen Substanzen, einer grafischen Analyse von mehrphasigen chemischen Systemen, hat er seine Gedanken auf der chemischen freien Energie vollständig verpflichtet.

Übersicht

Auf eine einfache Weise, in Bezug auf STP reagierende Systeme, ist eine allgemeine Faustregel:

Folglich, aus dieser allgemeinen natürlichen Tendenz, ist ein quantitatives Maß betreffs, wie nahe oder weit eine potenzielle Reaktion von diesem Minimum ist, wenn die berechneten energetics des Prozesses anzeigen, dass die Änderung in Gibbs freie Energie ΔG negativ ist. Hauptsächlich bedeutet das, dass solch eine Reaktion bevorzugt wird und Energie veröffentlichen wird. Die veröffentlichte Energie kommt dem maximalen Betrag der Arbeit gleich, die infolge der chemischen Reaktion durchgeführt werden kann. Im Gegensatz, wenn Bedingungen einen positiven ΔG anzeigen würden, dann würde Energie — in der Form der Arbeit — zum reagierenden System hinzugefügt werden müssen, um die Reaktion gehen zu lassen.

Die Gleichung kann auch von der Perspektive sowohl des Systems als auch seiner Umgebungen (das Weltall) gesehen werden. Zu den Zwecken der Berechnung nehmen wir an, dass die Reaktion die einzige Reaktion ist, die im Weltall weitergeht. So ist das Wärmegewicht, das veröffentlicht oder vom System gefesselt ist, wirklich das Wärmegewicht, das die Umgebung absorbieren oder beziehungsweise veröffentlichen muss. So wird der Reaktion nur erlaubt, wenn die Gesamtwärmegewicht-Änderung des Weltalls der Null (ein Gleichgewichtsprozess) gleich oder positiv ist. Der Eingang der Hitze in eine "endothermic" chemische Reaktion (z.B die Beseitigung von cyclohexanol zu cyclohexene) kann als Kopplung eine von Natur aus ungünstige Reaktion (Beseitigung) zu einer geneigten (das Brennen von Kohle oder die Energiequelle einer Hitzequelle) solch gesehen werden, dass die Gesamtwärmegewicht-Änderung des Weltalls mehr ist als oder gleich der Null, den Gibbs freie Energie der verbundenen negativen Reaktion machend.

Im traditionellen Gebrauch wurde der Begriff "freier" Gibbs freie Energie für Systeme am unveränderlichen Druck und der Temperatur beigefügt, um "verfügbar in der Form der nützlichen Arbeit zu bedeuten." Für Gibbs freie Energie fügen wir die Qualifikation hinzu, dass es die für die Nichtvolumen-Arbeit freie Energie ist. (Eine ähnliche Bedeutung gilt verwendet in Verbindung mit Helmholtz freie Energie, für Systeme am unveränderlichen Volumen und der Temperatur). Jedoch schließt eine steigende Zahl von Büchern und Zeitschriftenartikeln die "freie" Verhaftung nicht ein, sich auf G als einfach "Energie von Gibbs" beziehend. Das ist das Ergebnis 1988 IUPAC, die sich treffen, um vereinigte Fachsprachen für die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft zu setzen, in der das 'freie' Adjektiv vermutlich verbannt wurde. Dieser Standard ist jedoch noch nicht allgemein angenommen worden.

Geschichte

Die Menge genannt "freie Energie" ist ein fortgeschrittenerer und genauer Ersatz für die überholte Begriff-Sympathie, die von Chemikern in vorherigen Jahren verwendet wurde, um die Kraft zu beschreiben, die chemische Reaktionen verursacht hat.

1873 hat Willard Gibbs Eine Methode der Geometrischen Darstellung der Thermodynamischen Eigenschaften von Substanzen mittels Oberflächen veröffentlicht, in denen er den einleitenden Umriss der Grundsätze seiner neuen Gleichung eingeführt hat, die fähig ist, die Tendenzen von verschiedenen natürlichen Prozessen vorauszusagen oder zu schätzen, zu folgen, wenn Körper oder Systeme in den Kontakt gebracht werden. Indem er die Wechselwirkungen von homogenen Substanzen im Kontakt, d. h., Körper studiert hat, im Zusammensetzungsteil fest, Teil-Flüssigkeit und Teil-Dampf seiend, und indem er ein dreidimensionales Volumen-Wärmegewicht innerer Energiegraph verwendet hat, ist Gibbs im Stande gewesen, drei Staaten des Gleichgewichts zu bestimmen, d. h. "notwendigerweise stabil", "neutral", und "nicht stabil", und ob Änderungen folgen würden.

Folglich, 1882, hat der deutsche Wissenschaftler Hermann von Helmholtz festgestellt, dass Sympathie die größte Menge der Arbeit ist, die gewonnen werden kann, wenn die Reaktion auf eine umkehrbare Weise, z.B, elektrische Arbeit in einer umkehrbaren Zelle ausgeführt wird. Die maximale Arbeit wird so als die Verringerung der freien oder verfügbaren, Energie des Systems betrachtet (Gibbs freie Energie G an T = unveränderlich, P = unveränderlich oder Helmholtz freie Energie F an T = unveränderlich, V = unveränderlich), während die ausgegebene Hitze gewöhnlich ein Maß der Verringerung der Gesamtenergie des Systems (Innere Energie) ist. So, G oder F ist der Betrag der Energie, die für die Arbeit unter den gegebenen Bedingungen "frei" ist.

Bis zu diesem Punkt war die allgemeine Ansicht dass solch gewesen: "Alle chemischen Reaktionen steuern das System zu einem Staat des Gleichgewichts, in dem die Sympathien der Reaktionen verschwinden". Im Laufe der nächsten 60 Jahre ist der Begriff Sympathie gekommen, um durch den Begriff freie Energie ersetzt zu werden. Gemäß dem Chemie-Historiker Henry Leicester hat das einflussreiche 1923-Lehrbuch Thermodynamik und die Freie Energie von Chemischen Reaktionen durch Gilbert N. Lewis und Merle Randall zum Ersatz des Begriffes "Sympathie" durch den Begriff "freie Energie" in viel von der englisch sprechenden Welt geführt.

Grafische Interpretation

Gibbs freie Energie wurde grafisch ursprünglich definiert. 1873 hat amerikanischer Ingenieur Willard Gibbs sein erstes Thermodynamik-Papier veröffentlicht, "Grafische Methoden in der Thermodynamik von Flüssigkeiten", in dem Gibbs die zwei Koordinaten des Wärmegewichtes und Volumens verwendet hat, um den Staat des Körpers zu vertreten. In seiner zweiten Anschlußzeitung, "Hat eine Methode der Geometrischen Darstellung der Thermodynamischen Eigenschaften von Substanzen mittels Oberflächen" hat später in diesem Jahr, Gibbs veröffentlicht, in der dritten Koordinate der Energie des Körpers beigetragen, der auf drei Zahlen definiert ist. 1874 hat schottischer Physiker James Clerk Maxwell die Zahlen von Gibbs verwendet, um ein "3D-Energiewärmegewicht-Volumen" thermodynamische Oberfläche einer wasserähnlichen Romansubstanz zu machen. So, um das sehr schwierige Konzept von Gibbs freie Energie zu verstehen, muss man im Stande sein, seine Interpretation als Gibbs definiert ursprünglich durch die Abteilung AB auf seiner Abbildung 3 zu verstehen, und weil Maxwell diese Abteilung auf seiner 3D-Oberflächenzahl geformt hat.

Definitionen

Der Gibbs freie Energie wird als definiert:

:G (p, T) = U + pV  TS

der dasselbe als ist:

:G (p, T) = H  TS

wo:

• U ist die innere Energie (SI-Einheit: Joule)
• p ist Druck (SI-Einheit: Pascal)
• V ist Volumen (SI-Einheit: m)
• T ist die Temperatur (SI-Einheit: kelvin)
• S ist das Wärmegewicht (SI-Einheit: Joule pro kelvin)
• H ist der enthalpy (SI-Einheit: Joule)

Der Ausdruck für die unendlich kleine umkehrbare Änderung im Gibbs freie Energie als eine Funktion seiner 'natürlichen Variablen' p und T, für ein offenes System, das der Operation von Außenkräften (zum Beispiel unterworfen ist, elektrisch oder magnetical) X, die die Außenrahmen des Systems veranlassen, sich durch einen Betrag da zu ändern, kann wie folgt vom ersten Gesetz für reversible Prozesse abgeleitet werden:

wo:

• μ ist das chemische Potenzial des ith chemischen Bestandteils. (SI-Einheit: Joule pro Partikel oder Joule pro Maulwurf)
• N ist die Zahl von Partikeln (oder Zahl von Maulwürfen) das Bestehen des ith chemischen Bestandteils.

Das ist eine Form von Gibbs grundsätzliche Gleichung. Im unendlich kleinen Ausdruck ist der Begriff, der das chemische Potenzial einschließt, für Änderungen in Gibbs freie Energie verantwortlich, die sich aus einem Zulauf oder outflux von Partikeln ergibt. Mit anderen Worten hält es für ein offenes System. Für ein geschlossenes System kann dieser Begriff fallen gelassen sein.

Jede Zahl von Extrabegriffen kann abhängig vom besonderen System hinzugefügt werden, das wird betrachtet. Beiseite von der mechanischen Arbeit kann ein System außerdem viele andere Typen der Arbeit durchführen. Zum Beispiel, im unendlich kleinen Ausdruck, hat die zusammenziehbare Arbeitsenergie mit einem thermodynamischen System verkehrt, das eine zusammenziehbare Faser ist, die durch einen Betrag dl unter einer Kraft f kürzer wird, würde auf einen Begriff fdl hinauslaufen hinzugefügt zu werden. Wenn eine Menge der Anklage de durch ein System an einem elektrischen Potenzial Ψ erworben wird, ist die elektrische damit vereinigte Arbeit  Ψde, der in den unendlich kleinen Ausdruck eingeschlossen würde. Andere Arbeitsbegriffe werden pro Systemanforderungen hinzugefügt.

Jede Menge in den Gleichungen kann oben durch den Betrag der Substanz geteilt werden, die in Maulwürfen gemessen ist, um Mahlzahn Gibbs freie Energie zu bilden. Der Gibbs freie Energie ist eine der wichtigsten thermodynamischen Funktionen für die Charakterisierung eines Systems. Es ist ein Faktor in der Bestimmung von Ergebnissen wie die Stromspannung einer elektrochemischen Zelle und das für eine umkehrbare Reaktion unveränderliche Gleichgewicht. Im isothermischen, isobaric Systeme, Gibbs kann von freier Energie als eine "dynamische" Menge gedacht werden, in der es ein vertretendes Maß der konkurrierenden Effekten des enthalpic und der entropic an einem thermodynamischen Prozess beteiligten treibenden Kräfte ist.

Die Temperaturabhängigkeit der Energie von Gibbs für ein ideales Benzin wird durch die Gleichung von Gibbs-Helmholtz gegeben, und durch seine Druck-Abhängigkeit wird gegeben:

:

wenn das Volumen aber nicht Druck dann bekannt ist, wird es:

:

oder günstiger als sein chemisches Potenzial:

:

In nichtidealen Systemen tritt fugacity in Spiel ein.

Abstammung

Der Gibbs freie Energie natürliche Gesamtdifferenzialvariablen können über Legendre abgeleitet werden, verwandelt sich von der inneren Energie.

:.

Weil S, V, und N umfassende Variablen sind, erlaubt der homogene Funktionslehrsatz von Euler leichte Integration von dU:

:.

Die Definition von G ist von oben

:.

Das Gesamtdifferenzial nehmend, haben wir

:.

Das Ersetzen dU mit dem Ergebnis vom ersten Gesetz gibt

::.

Die natürlichen Variablen von G sind dann p, T, und {N}. Weil einige der natürlichen Variablen intensiv sind, darf dG nicht mit Integralen von Euler integriert werden, wie mit der inneren Energie der Fall ist. Jedoch gibt einfach das Auswechseln gegen das Ergebnis für U in die Definition von G einen Standardausdruck für G:

::.

Freie Energie von Reaktionen

Um den Gibbs freie Energiegleichung für ein isoliertes System abzuleiten, lassen Sie S das Gesamtwärmegewicht des isolierten Systems, d. h. ein System sein, das Hitze oder Masse mit seinen Umgebungen nicht austauschen kann. Gemäß dem zweiten Gesetz der Thermodynamik:

:

und wenn ΔS = 0 dann der Prozess umkehrbar ist. Die Wärmeübertragung Q verschwindet für ein adiabatisches System. Jeder adiabatische Prozess, der auch umkehrbar ist, wird einen isentropischen Prozess genannt.

Denken Sie jetzt Systeme, inneres Wärmegewicht S habend. Solch ein System wird mit seinen Umgebungen thermisch verbunden, die Wärmegewicht S haben. Die Wärmegewicht-Form des zweiten Gesetzes gilt nur für das geschlossene System, das sowohl durch das System als auch durch seine Umgebungen gebildet ist. Deshalb ist ein Prozess wenn möglich

:.

Wenn Q Hitze ist, die dem System von den Umgebungen übertragen ist, so ist Q Hitze, die durch die Umgebungen verloren ist

:so, der Wärmegewicht-Änderung der Umgebungen entspricht.

:We haben jetzt:

:

:Multiply beide Seiten durch T:

:

Q ist dem System übertragene Hitze; wenn, wie man jetzt annimmt, der Prozess isobaric, dann Q = ΔH ist:

:

ΔH ist die enthalpy Änderung der Reaktion (für eine chemische Reaktion am unveränderlichen Druck). Dann

:

für einen möglichen Prozess. Lassen Sie die Änderung ΔG in Gibbs freie Energie als definiert werden

: (eq.1)

Bemerken Sie, dass es in Bezug auf keine Außenzustandsfunktionen, wie ΔS oder ΔS definiert wird. Dann wird das zweite Gesetz, der uns auch über die Spontaneität der Reaktion erzählt:

:

: Weder der nachschicken noch die Rückreaktion herrschen (Gleichgewicht) vor

: Disfavoured-Reaktion (Nichtspontaner)

Gibbs freie Energie G selbst wird als definiert

: (eq.2)

aber bemerken Sie, dass, um Gleichung (2) von der Gleichung (1) zu erhalten, wir annehmen müssen, dass T unveränderlich ist. So ist Gibbs freie Energie für Thermochemical-Prozesse bei der unveränderlichen Temperatur und dem Druck am nützlichsten: sowohl isothermisch als auch isobaric. Solche Prozesse treiben kein P-V Diagramm wie Phase-Änderung einer reinen Substanz vorwärts, die am Sättigungsdruck und der Temperatur stattfindet. Chemische Reaktionen erleben wirklich jedoch Änderungen im chemischen Potenzial, das eine Zustandsfunktion ist. So werden thermodynamische Prozesse auf das zwei dimensionale P-V Diagramm nicht beschränkt. Es gibt eine dritte Dimension für n, die Menge von Benzin. Für die Studie von explosiven Chemikalien sind die Prozesse nicht notwendigerweise isothermisch und isobaric. Für diese Studien Helmholtz wird freie Energie verwendet.

Wenn ein isoliertes System (Q = 0) am unveränderlichen Druck (Q = ΔH), dann ist

:

Deshalb ist der Gibbs freie Energie eines isolierten Systems:

:

und wenn ΔG  0 dann das andeutet, dass ΔS  0, zurück dazu, wo wir die Abstammung von ΔG angefangen

haben

Nützliche Identität

: für die unveränderliche Temperatur

:

: (sieh Chemisches Gleichgewicht).

::

und Umordnen gibt

:::

der das elektrische Potenzial einer Reaktion zum Gleichgewicht-Koeffizienten für diese Reaktion (Gleichung von Nernst) verbindet.

wo

ΔG = ändern in Gibbs freie Energie, ΔH = Änderung in enthalpy, T = absolute Temperatur, ΔS = Änderung im Wärmegewicht, R = Gaskonstante, ln = natürlicher Logarithmus, ΔG = Änderung der Reaktion in Gibbs freie Energie, ΔG ° = Standardänderung der Reaktion in Gibbs freie Energie, K = Gleichgewicht unveränderlich, Qr = Reaktionsquotient, n = Zahl von Elektronen pro Maulwurf-Produkt, F = Faraday unveränderlich (Ampere-Sekunden pro Maulwurf), und E = Elektrode-Potenzial der Reaktion. Außerdem haben wir auch:

::

der das Gleichgewicht verbindet, das mit Gibbs freie Energie unveränderlich ist.

Standardenergieänderung der Bildung

Die Standard Gibbs freie Energie der Bildung einer Zusammensetzung ist die Änderung von Gibbs freie Energie, die die Bildung von 1 Maulwurf dieser Substanz von seinen Teilelementen, an ihren Standardstaaten (die stabilste Form des Elements an 25 Grad Celsius und 100 kilopascals) begleitet. Sein Symbol ist ΔG .

Alle Elemente in ihren Standardstaaten (Sauerstoff-Benzin, Grafit, usw.) haben 0 Standard Gibbs freie Energieänderung der Bildung, weil es keine beteiligte Änderung gibt.

:ΔG = ΔG  + RT ln Q; Q ist der Reaktionsquotient.

Am Gleichgewicht ΔG = 0 und Q = K so wird die Gleichung ΔG  = RT ln K; K ist das unveränderliche Gleichgewicht.

Tisch von ausgewählten Substanzen

Siehe auch

• Calphad
• Gleichwertiger Elektron-
• Enthalpy-Wärmegewicht-Entschädigung
• Freies Wärmegewicht
• Großartiges Potenzial
• Thermodynamische freie Energie

Links

• IUPAC Definition (Energie von Gibbs)
• Energie von Gibbs - Staatliche Universität von Florida
• Gibbs freie Energie - Welt von Eric Weissteins der Physik
• Wärmegewicht und Energie von Gibbs Free - www.2ndlaw.oxy.edu
• Gibbs freie Energie - staatliche Universität von Georgia
• Gibbs freie Energie Java Applet - Universität Kaliforniens, Berkeley
• Gibbs freie Energie - staatliche Universität von Illinois
• Das Verwenden der Energie von Gibbs Free für die Vorhersage des chemischen gesteuerten materiellen Alterns