Свободна енергия на Гибс

Серия статии на тема Статистическа физика

Формализъм Ергодична хипотеза ⋅ микросъстояние/макросъстояние ⋅ Статистическа сума ⋅ Матрица на плътността Статистически ансамбли микроканоничен ⋅ каноничен ⋅ голям каноничен Квантови статистики Максуел-Болцман ⋅ Тъждественост ⋅ Ферми-Дирак ⋅ Фермион ⋅ Бозе-Айнщайн ⋅ Бозон Потенциали Вътрешна енергия ⋅ Свободна енергия на Хелмхолц ⋅ Свободна енергия на Гибс ⋅ Енталпия ⋅ Свободна енталпия ⋅ Ентропия Газове от частици Изроден ферми-газ ⋅ Бозе-Айнщайнова кондензация ⋅ Закон на Планк Известни модели Айнщайн ⋅Дебай ⋅ Изинг ⋅ Гинзбург-Ландау Физици Келвин ⋅ Максуел ⋅ Гибс ⋅ Болцман ⋅ Планк ⋅ Паули ⋅ Дирак ⋅ Бозе ⋅ Айнщайн

В термодинамиката енергията на Гибс (G) отбелязва способността на даден процес да протича спонтанно. Тя е наречена така в чест на американския учен Джошуа Гибс. По дефиниция свободната енергия на Гибс ${\displaystyle \mathbf {G} }$ е равна на

${\displaystyle \mathbf {G} =\mathbf {U} +\mathbf {p} \mathbf {V} -\mathbf {T} .\mathbf {S} }$

където с ${\displaystyle \mathbf {U} }$ е зададена вътрешната енергия на системата, с ${\displaystyle \mathbf {S} }$ е отбелязана ентропията, а с ${\displaystyle \mathbf {T} }$, ${\displaystyle \mathbf {V} }$, ${\displaystyle \mathbf {p} }$ – съответно температурата, измерена в Келвини, обема и налягането на системата. От дефиницията следва, че енергията на Гибс G е свързана с енталпията по формулата

${\displaystyle \mathbf {G} =\mathbf {H} -\mathbf {T} .\mathbf {S} }$

където с ${\displaystyle \mathbf {H} }$ е означена енталпията, която е дефинирана като ${\displaystyle \mathbf {H} =\mathbf {U} +\mathbf {p} \mathbf {V} }$.

В диференциална форма изменението на енергията на Гибс се задава с уравнението:

${\displaystyle \mathbf {dG=Vdp-SdT+\sum \mu _{i}dN_{i} }$

тук с dN_i е обозначено изменението на количеството вещество на даден компонент i, а с μ_i химичният потенциал на този компонент. Енергията на Гибс може следователно да се представи като функция на температурата, налягането и количеството вещество. Всички тези величини са лесноизмерими и достъпни, затова G много по-удобна при практическа работа, в сравнение с другите термодинамични потенциали (вътрешна енергия, енталпия, енергия на Хелмхолц). Уравнението се опростява ако системата не обменя вещество с околната среда (dN_i=0), при изобарни процеси (dp = 0) или изотермични процеси (dT=0). Пример: ако dT и dp = 0, тогава изменението на G е равно на:

${\displaystyle \mathbf {dG=\sum \mu _{i}dN_{i} }$

Ако при дадена химична реакция енергията на Гибс намалява, т.е. ${\displaystyle \Delta \mathbf {G} <0}$, то реакцията протича спонтанно. Ако ${\displaystyle \Delta \mathbf {G} >0}$, тогава реакцията протича само ако външни сили повлияят на системата. Ако ${\displaystyle \Delta \mathbf {G} =0}$, то системата е в динамично равновесие – скоростиете на правата и обратната реакция са равни. В състояние на равновесие енергията на Гибс на системата е минимална.

Изменението на енергията на Гибс е и мярка за максималната работа, която една система може да извърши. Изменението на енергията на Гибс ΔG при дадена реакция е свързано с редица физикохимични величини: равновесна константа, електроден потенциал.

• Свободна енергия на Хелмхолц