Energia di Gibbs e il suo uso per descrivere la possibilità dei processi

Il concetto di energia libera di Gibbs è stato introdotto in chimica per spiegare la possibilità di un evento spontaneo o spontaneo di una particolare reazione. Il calcolo di questa energia richiede la conoscenza del cambiamento nell'entropia del processo e la quantità di energia che viene assorbita o rilasciata durante la sua implementazione.

Josiah Willard Gibbs

L'energia libera, che determina la possibilità di vari processi, è denotata da una G maiuscola

È interessante notare che la sua prima tesi, dopo aver difeso quale Gibbs ricevette il titolo di dottorato, scrisse sulla forma dei denti degli ingranaggi. In questo studio, ha usato metodi geometrici per sviluppare la forma ideale di questi denti. Lo scienziato ha iniziato a studiare la termodinamica solo all'età di 32 anni, e in questo campo della fisica ha ottenuto un grande successo.

Concetti di base della termodinamica

L'energia standard di Gibbs è energia in condizioni standard, cioè a temperatura ambiente (25 ºC) e pressione atmosferica (0,1 MPa).

Per comprendere i principi di base della termodinamica, si dovrebbero anche introdurre i concetti di entropia e entalpia del sistema.

Per entalpia si intende l'energia interna di un sistema che è ad una data pressione e volume. Questo valore è denotato dalla lettera latina H ed è uguale a U + PV, dove U - energia interna sistemi, pressione P, volume del sistema V.

L'entropia di un sistema è una quantità fisica che caratterizza la misura del disordine. In altre parole, l'entropia descrive la posizione delle particelle che compongono questo sistema, cioè caratterizza la probabilità dell'esistenza di ogni stato di questo sistema. Di solito è indicato dalla lettera latina S.

Pertanto, l'entalpia è una caratteristica energetica e l'entropia è geometrica. Si noti che per comprendere e descrivere i processi termodinamici che si verificano, i valori assoluti di entropia e entalpia non portano informazioni utili, solo le grandezze dei loro cambiamenti sono importanti, cioè ΔH e ΔS.

Affermazioni termodinamiche

Questa legge aiuta a capire in quale direzione la reazione può procedere arbitrariamente, o sarà in equilibrio. Le seguenti affermazioni sono fondamentali per la termodinamica:

• La seconda legge della termodinamica dice che il processo in qualsiasi sistema avviene arbitrariamente, la sua entropia deve aumentare, cioè ΔS> 0.
• A temperatura e pressione costanti, il cambiamento nell'energia di Gibbs del sistema è determinato dalla formula ΔG = ΔH - TΔS.
• Se per ogni processo ΔG <0, procede spontaneamente e si chiama esergonico.
• La direzione del corso arbitrario di una particolare reazione può dipendere dalla temperatura nel sistema.

Processi spontanei

In chimica, i processi casuali sono quelli che si verificano senza l'apporto di energia esterna a loro. L'arbitrarietà della percolazione indica la probabilità di tale opportunità e non è in alcun modo connessa con la cinetica del processo. Quindi, può procedere rapidamente, cioè avere un carattere esplosivo, ma può anche procedere molto lentamente per migliaia e milioni di anni.

Un classico esempio di reazione spontanea è la conversione del carbonio sotto forma di diamante in una modifica allotropica del carbonio della grafite. Una tale reazione è così lenta che durante la sua vita una persona non noterà alcun cambiamento nel diamante originale, quindi dicono che i diamanti sono eterni, anche se se aspetti un periodo di tempo sufficiente, puoi vedere come una pietra brillante diventa nera, come grafite di carbonio nero.

Rilascio e assorbimento di energia

Un altro aspetto importante dei processi arbitrariamente procedenti è il rilascio o l'assorbimento del calore, nel primo caso essi parlano di un processo esotermico, nel secondo caso un processo endotermico, cioè, è un segno del cambiamento di entalpia ΔH. Si noti che sia i processi esotermici che quelli endotermici possono procedere arbitrariamente.

Un primo esempio di un processo casuale è l'accensione della miscela di carburante nel cilindro di un motore a combustione interna. In questa reazione, viene rilasciata una grande quantità di energia termica, che viene convertita con un'efficienza di circa il 30% in energia meccanica costringendo l'albero motore a ruotare. Quest'ultimo trasmette la coppia attraverso la trasmissione alle ruote della macchina, e la macchina si muove.

Un esempio di una reazione endotermica che procede indipendentemente dall'assorbimento di calore è la dissoluzione del normale cloruro di sodio in acqua. In questa reazione, ΔH = +3,87 kJ / mol> 0. Questo fatto può essere verificato misurando la temperatura dell'acqua prima che il sale si dissolva in esso e dopo che è stato sciolto. La differenza risultante tra la temperatura finale e la temperatura iniziale sarà negativa.

Processo energetico di Gibbs

Se qualsiasi processo avviene in un sistema con pressione e temperatura costanti, la seconda legge della termodinamica può essere riscritta come segue: G = H - TS. Il valore di G - L'energia libera di Gibbs ha la dimensione kJ / mol. La determinazione della spontaneità di una particolare reazione dipende dal segno del cambiamento in questa quantità, cioè, ΔG. Di conseguenza, la seconda legge della termodinamica assume la forma: ΔG = ΔH -TΔS. I seguenti casi sono possibili:

• ΔG <0 - la reazione si chiama esergonica e si verifica casualmente nella direzione in avanti con la formazione di prodotti;
• ΔG> 0 - reazione endergonica, che non può verificarsi arbitrariamente in avanti, ma andrà indipendentemente nella direzione opposta con un aumento del numero di reagenti;
• ΔG = 0 - il sistema è in equilibrio e le concentrazioni di reagenti e prodotti rimangono costanti per un tempo arbitrariamente lungo.

Analisi dell'equazione risultante

L'espressione introdotta per la seconda legge della termodinamica ci consente di determinare in quale caso il processo può procedere arbitrariamente. Per fare ciò, è necessario analizzare tre quantità: la variazione di entalpia ΔH, la variazione di entropia ΔS e temperatura T. Si noti che la temperatura è espressa in unità assolute secondo il sistema internazionale di pesi e misure, cioè in Kelvin, quindi è sempre un valore positivo.

La direzione della reazione non dipende dalla temperatura se:

• La reazione è esotermica (ΔH <0) e la sua entropia aumenta (ΔS> 0). In questo caso, il processo procede in modo arbitrario nella direzione in avanti;
• La reazione endotermica (ΔH> 0) e la sua entropia sono negative (ΔS <0). Il processo non andrà mai spontaneamente nella direzione in avanti.

Se i segni dei cambiamenti nei valori ΔH e ΔS coincidono, allora la temperatura gioca già un ruolo importante nella possibilità di un tale processo. Pertanto, una reazione esotermica procederà arbitrariamente a basse temperature e una reazione esotermica a temperature elevate.

Calcolo della fusione del ghiaccio

Un buon esempio di una reazione in cui il segno dell'energia di Gibbs dipende dalla temperatura è la fusione del ghiaccio. Per questo processo, ΔH = 6,01 kJ / mol, cioè la reazione è endotermica, ΔS = 22,0 J / mol * K, cioè il processo avviene con un aumento di entropia.

Per lo scioglimento del ghiaccio, calcoliamo la temperatura alla quale il cambiamento nell'energia di Gibbs sarà pari a zero, cioè il sistema si troverà in uno stato di equilibrio. da seconda legge della termodinamica otteniamo: T = ΔH / ΔS, sostituendo i valori di queste quantità, calcoliamo T = 6.01 / 0.022 = 273.18 K.

Se convertiamo la temperatura da Kelvin ai soliti gradi Celsius, otteniamo 0 ºC. Cioè, a una temperatura superiore a questo, il valore di ΔG <0 e la fusione del ghiaccio spontaneamente, a una temperatura inferiore a 0 ºC ΔG> 0, e il processo inverso si verificherà arbitrariamente, cioè la cristallizzazione dell'acqua liquida.