אנרגיה חופשית של גיבס
 |
ערך מחפש מקורות
| |
| ערך מחפש מקורות |
| פוטנציאלים תרמודינמיים |
| אנרגיה פנימית |
| אנרגיה חופשית |
| אנרגיה חופשית של הלמהולץ |
| אנרגיה חופשית של גיבס |
| אנתלפיה |
| פוטנציאל גראנד קנוני |
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 הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ G } , ונקראת על שם המדען האמריקני ג'וסיה וילארד גיבס. היא מוגדרת כ:
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ G = H - TS = U - TS + PV }
כאשר
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ U } היא האנרגיה הפנימית של המערכת
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ T } היא הטמפרטורה
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ S } היא האנטרופיה
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ P } היא הלחץ
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ V } היא הנפח
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ 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 (אנ'). 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:
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ dG= dU-d(ST)+d(PV) = -SdT +VdP+ \sum_i \mu_i d N_i} .
האנרגיה החופשית היא כלי נוח לקביעת הכיוון הספונטני של תגובה:
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \Delta G < 0} - תהליך ספונטני
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \Delta G = 0} - שווי משקל כימי - התגובה תתרחש בשני הכיוונים במידה שווה, היחס בין המגיבים לתוצרים יישאר קבוע.
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \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
