אנרגיה חופשית של גיבס

האנרגיה החופשית של גיבס היא מידת העבודה "החופשית" - קרי, העבודה המקסימלית שניתן להפיק בתנאים מסוימים - שניתן להפיק ממערכת סגורה כאשר הלחץ והטמפרטורה קבועים. תחת אילוצים אלו, היא מגיעה למינימום כאשר המערכת בשווי משקל. האנרגיה החופשית של גיבס היא אם-כן הפוטנציאל התרמודינמי שהמשתנים הטבעיים שלו הם הטמפרטורה והלחץ. מכיוון שבתגובות כימיות הטמפרטורה והלחץ הם בדרך כלל המשתנים הנשלטים, יש לאנרגיה החופשית של גיבס חשיבות רבה בקביעת הכיוון המועדף של התגובה.

האנרגיה החופשית של גיבס פותחה בשנות ה-70 של המאה ה-19 על ידי המתמטיקאי האמריקאי ג'וסיה וילארד גיבס.

האנרגיה החופשית של גיבס מסומנת באות $\ G$, ונקראת על שם המדען האמריקני ג'וסיה וילארד גיבס. היא מוגדרת כ:

$\ G=H-TS=U-TS+PV$

כאשר

• $\ U$ היא האנרגיה הפנימית של המערכת
• $\ T$ היא הטמפרטורה
• $\ S$ היא האנטרופיה
• $\ P$ היא הלחץ
• $\ V$ היא הנפח
• $\ H$ היא האנתלפיה

האנרגיה החופשית של גיבס היא בעלת חשיבות רבה לצורך אפיון של מערכת. היא גורם בקביעת המתח של תא אלקטרוכימי וקבוע שיווי משקל לתהליכים הפיכים . היא גם ידועה בשמות שונים כגון פונקציית האנרגיה של גיבס, אנרגיה חופשית, אנתלפיה חופשית ופוטנציאל תרמודינמי בלחץ קבוע.

האנרגיה החופשית של גיבס היא הפוטנציאל התרמודינמי שמתקבל כאשר מבצעים התמרת לז'נדר על האנרגיה הפנימית כך שהטמפרטורה והלחץ הופכים למשתנים הנשלטים במקום האנטרופיה והנפח. הדיפרנציאל (בתהליכים הפיכים) של האנרגיה החופשית של גיבס מתקבל מהדיפרנציאל של האנרגיה הפנימית:

$\ dG=dU-d(ST)+d(PV)=-SdT+VdP+\sum _{i}\mu _{i}dN_{i}$.

האנרגיה החופשית היא כלי נוח לקביעת הכיוון הספונטני של תגובה:

• $\ \Delta G<0$ - תהליך ספונטני
• $\ \Delta G=0$ - שווי משקל כימי - התגובה תתרחש בשני הכיוונים במידה שווה, היחס בין המגיבים לתוצרים יישאר קבוע.
• $\ \Delta G>0$ - התהליך אינו ספונטני, התגובה תתרחש בעיקר בכיוון ההפוך

הוכחה לנוסחה

נמצא נוסחא כדי לבטא את העבודה המקסימלית שאפשר להפיק ממערכת בתנאים מסוימים:

• אנו יודעים כי שינוי האנטרופיה בסביבה שווה למינוס q/T. כאשר q - האנרגיה הנפלטת לסביבה. T- הטמפרטורה בסביבה.
• במצב של עבודה מקסימלית, שינוי האנטרופיה של המערכת שווה לשינוי אנטרופיה של הסביבה בערך מוחלט. כלומר, האנתרופיה של היקום לא משתנה.

משני נתונים אלו, אנו יכולים להסיק כי TS (הכוונה לשינוי האנטרופיה של המערכת), היא האנרגיה המינמלית שיש להשקיע על מנת שהתגובה תתרחש באופן ספונטני.

שינוי האנתלפיה, הוא האנרגיה הכללית הנפלטת בתגובה, והיא מנוצלת לחימום ולעבודה. לכן, אם נחסר ממנה את האנרגיה המנוצלת לטובת חימום, נגיע לאנרגיה המנוצלת לטובת עבודה.

מהביטוי שמצאנו ומידע קודם נגיע לביטוי הבא:

G = H - TS

ערך זה הוא קצרמר בנושא כימיה. אתם מוזמנים לתרום למכלול ולהרחיב אותו.

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

25747555אנרגיה חופשית של גיבס