TENAGA BEBAS GIBBS: UNIT, CARA MENGIRA, LATIHAN YANG DISELESAIKAN - KIMIA - 2025

The Gibbs tenaga bebas (dikenali sebagai G) potensi termodinamik ditakrifkan sebagai perbezaan H entalpi, tolak darab suhu T, S entropi sistem:

Tenaga bebas Gibbs diukur dalam Joules (menurut Sistem Antarabangsa), dalam ergs (untuk Sistem Cegesimal Unit), dalam kalori atau dalam volt elektron (untuk voltan elektro).

Rajah 1. Rajah menunjukkan definisi tenaga Gibbs dan hubungannya dengan potensi termodinamik yang lain. Sumber: nuclear-power.net.

Dalam proses yang berlaku pada tekanan dan suhu berterusan, variasi tenaga bebas Gibbs adalah ΔG = ΔH - T ΔS. Dalam proses sedemikian, (G) mewakili tenaga yang ada dalam sistem yang dapat diubah menjadi kerja.

Contohnya, dalam reaksi kimia eksotermik, entalpi menurun sementara entropi meningkat. Dalam fungsi Gibbs kedua-dua faktor ini dilawan, tetapi hanya apabila tenaga Gibbs menurun, reaksi berlaku secara spontan.

Oleh itu, jika variasi G negatif, prosesnya secara spontan. Apabila fungsi Gibbs mencapai tahap minimum, sistem mencapai keadaan keseimbangan yang stabil. Ringkasnya, dalam proses di mana tekanan dan suhu tetap berterusan, kita dapat menegaskan:

- Sekiranya prosesnya berlaku secara spontan, maka ΔG <0

- Apabila sistem berada dalam keseimbangan: ΔG = 0

- Dalam proses tidak spontan G meningkat: ΔG> 0.

Bagaimana ia dikira?

Tenaga bebas Gibbs (G) dikira menggunakan definisi yang diberikan pada awal:

Pada gilirannya, entalpi H adalah potensi termodinamik yang ditakrifkan sebagai:

- Langkah demi langkah

Seterusnya, analisis langkah demi langkah akan dibuat untuk mengetahui pemboleh ubah bebas yang mana fungsi tenaga Gibbs:

1- Dari undang-undang termodinamika pertama kita mempunyai bahawa tenaga dalaman U berkaitan dengan entropi S sistem dan isipadu Vnya untuk proses terbalik melalui hubungan pembezaan:

Dari persamaan ini menunjukkan bahawa tenaga dalaman U adalah fungsi dari pemboleh ubah S dan V:

2- Bermula dari definisi H dan mengambil pembezaan, kita memperoleh:

3- Menggantikan ungkapan untuk dU yang diperoleh di (1) kita mempunyai:

Dari ini dapat disimpulkan bahawa entalpi H bergantung pada entropi S dan tekanan P, iaitu:

4- Sekarang perbezaan keseluruhan tenaga bebas Gibbs dikira memperoleh:

Di mana dH telah digantikan oleh ungkapan yang terdapat di (3).

5- Akhirnya, ketika menyederhanakan, kita memperoleh: dG = VdP - SdT, menjadikannya jelas bahawa tenaga bebas G bergantung pada tekanan dan suhu T sebagai:

- Hubungan termodinamik Maxwell

Dari analisis di bahagian sebelumnya dapat disimpulkan bahawa tenaga dalaman sistem adalah fungsi dari entropi dan isipadu:

Maka perbezaan U ialah:

Dari ungkapan terbitan separa ini, hubungan termodinamik Maxwell yang disebut dapat diturunkan. Derivatif separa berlaku apabila fungsi bergantung pada lebih dari satu pemboleh ubah dan mudah dikira menggunakan teorema di bahagian seterusnya.

Hubungan pertama Maxwell

∂ _V T- _S = -∂ _S P- _V

Untuk mencapai hubungan ini, teorema Clairaut - Schwarz mengenai derivatif separa telah digunakan, yang menyatakan perkara berikut:

Hubungan kedua Maxwell

Berdasarkan apa yang ditunjukkan pada titik 3 bahagian sebelumnya:

Ia boleh didapati:

Kami meneruskan cara yang sama dengan tenaga bebas Gibbs G = G (P, T) dan dengan tenaga bebas Helmholtz F = F (T, V) untuk mendapatkan dua hubungan termodinamik Maxwell yang lain.

Gambar 2. Josiah Gibbs (1839-1903) adalah seorang ahli fizik, ahli kimia dan ahli matematik Amerika yang memberikan sumbangan besar kepada termodinamik. Sumber: Wikimedia Commons.

Keempat hubungan termodinamik Maxwell

Latihan 1

Hitung variasi tenaga bebas Gibbs untuk 2 mol gas ideal pada suhu 300K semasa pengembangan isoterma yang mengambil sistem dari isipadu awal 20 liter hingga isipadu akhir 40 liter.

Penyelesaian

Mengingat definisi tenaga bebas Gibbs yang kita ada:

Maka variasi terhingga dari F adalah:

Apa yang berlaku untuk kes latihan ini tetap:

Kemudian kita dapat perubahan tenaga Helmholtz:

Latihan 2

Dengan mengambil kira bahawa tenaga bebas Gibbs adalah fungsi suhu dan tekanan G = G (T, P); tentukan variasi G semasa proses di mana suhu tidak berubah (isotermal) untuk n mol gas ideal monatom.

Penyelesaian

Seperti yang ditunjukkan di atas, perubahan tenaga Gibbs hanya bergantung pada perubahan suhu T dan isipadu V, sehingga variasi tak terbatas dari itu dihitung berdasarkan:

Tetapi jika ia adalah proses di mana suhu tetap maka dF = + VdP, maka variasi tekanan hingga ΔP membawa kepada perubahan dalam tenaga Gibbs yang diberikan oleh:

Menggunakan persamaan gas yang ideal:

Semasa proses isotermal berlaku bahawa:

Itu dia:

Jadi hasil sebelumnya dapat ditulis sebagai fungsi dari variasi kelantangan ΔV:

Latihan 3

Memandangkan tindak balas kimia berikut:

N ₂ 0 (g) + (3/2) O ₂ (g) ↔️ 2NO ₂ (g) pada suhu T = 298 K

Cari variasi tenaga bebas Gibbs dan, dengan menggunakan hasil yang diperoleh, nyatakan apakah itu proses spontan atau tidak.

Penyelesaian

Berikut adalah langkah-langkahnya:

- Langkah pertama: entalpi reaksi

- Langkah kedua: variasi entropi reaksi

- Langkah ketiga: variasi fungsi Gibbs

Nilai ini akan menentukan keseimbangan antara penurunan tenaga dan peningkatan entropi untuk mengetahui sama ada akhirnya tindak balas itu berlaku secara spontan atau tidak.

Oleh kerana ia adalah variasi negatif tenaga Gibbs, dapat disimpulkan bahawa ia adalah reaksi spontan pada suhu 298 K = 25 ºC.

Rujukan

1. Chestnuts E. Latihan tenaga percuma. Dipulihkan dari: lidiaconlaquimica.wordpress.com.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. Edisi ke-7. Bukit McGraw.
3. Libreteks. Tenaga Bebas Gibbs. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
4. Libreteks. Apakah Tenaga Percuma. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. Tenaga bebas Gibbs. Dipulihkan dari: es.wikipedia.com
6. Wikipedia. Tenaga bebas Gibbs. Dipulihkan dari: en.wikipedia.com