Unități de energie liberă Gibbs, cum se calculează, exerciții rezolvate

1787
Abraham McLaughlin

Energie liberă Gibbs (denumit în mod obișnuit G) este un potențial termodinamic definit ca diferența de entalpie H, minus produsul temperaturii T, de entropia S a sistemului:

G = H - T S

Energia liberă Gibbs este măsurată în Jouli (conform sistemului internațional), în erg-uri (pentru sistemul cegezimal de unități), în calorii sau în volți de electroni (pentru electro Volți).

Figura 1. Diagrama care arată definiția energiei Gibbs și relația acesteia cu celelalte potențiale termodinamice. Sursa: nuclear-power.net.

În procesele care apar la presiune și temperatură constante, variația energiei libere Gibbs este ΔG = ΔH - T ΔS. În astfel de procese, (G) reprezintă energia disponibilă în sistem care poate fi convertită în muncă.

De exemplu, în reacțiile chimice exoterme, entalpia scade în timp ce entropia crește. În funcția Gibbs acești doi factori sunt contracarați, dar numai atunci când energia Gibbs scade reacția apare spontan..

Deci, dacă variația lui G este negativă, procesul este spontan. Când funcția Gibbs atinge nivelul minim, sistemul atinge o stare stabilă de echilibru. Pe scurt, într-un proces pentru care presiunea și temperatura rămân constante, putem afirma:

- Dacă procesul este spontan, atunci ΔG < 0

- Când sistemul este în echilibru: ΔG = 0

- Într-un proces non-spontan G crește: ΔG> 0.

Indice articol

  • 1 Cum se calculează?
    • 1.1 - Pas cu pas
    • 1.2 - Relațiile termodinamice ale lui Maxwell
  • 2 exerciții rezolvate
    • 2.1 Exercițiul 1
    • 2.2 Exercițiul 2
    • 2.3 Exercițiul 3
  • 3 Referințe

Cum se calculează?

Energia liberă Gibbs (G) este calculată utilizând definiția dată la început:

G = H - T⋅S

La rândul său, entalpia H este un potențial termodinamic definit ca:

H = U + P V

- Pas cu pas

Apoi, se va face o analiză pas cu pas, pentru a cunoaște variabilele independente ale cărora energia Gibbs este o funcție:

1- Din prima lege a termodinamicii avem că energia internă U este legată de entropia S a sistemului și de volumul său V pentru procese reversibile prin relația diferențială:

dU = dQ - dW = TdS - PdV

Din această ecuație rezultă că energia internă U este o funcție a variabilelor S și V:

U = U (S, V)

2- Pornind de la definiția lui H și luând diferențialul, obținem:

dH = dU + d (P V) = dU + VdP + PdV

3- Înlocuind expresia pentru dU obținută în (1) avem:

dH = TdS - PdV + VdP + PdV = TdS + VdP

Din aceasta se concluzionează că entalpia H depinde de entropia S și de presiunea P, adică:

H = H (S, P)

4- Acum diferențialul total al energiei libere Gibbs se calculează obținând:

dG = dH -TdS -SdT = TdS + VdP -TdS -SdT

În cazul în care dH a fost înlocuit cu expresia găsită în (3).

5- În cele din urmă, atunci când simplificăm, obținem: dG = VdP - SdT, fiind clar că energia liberă G depinde de presiune și de temperatura T ca:

G = G (P, T)

- Relațiile termodinamice ale lui Maxwell

Din analiza din secțiunea anterioară, rezultă că energia internă a unui sistem este o funcție de entropie și volum:

U = U (S, V)

Apoi diferențialul de SAU va fi:

dU = ∂SU |V dS + ∂VU |S dV = TdS - PdV

Din această expresie derivată parțială, pot fi derivate așa-numitele relații termodinamice Maxwell. Derivatele parțiale se aplică atunci când o funcție depinde de mai multe variabile și se calculează cu ușurință prin aplicarea teoremei din secțiunea următoare.

Prima relație a lui Maxwell

 ∂VT |S = -∂SP |

Pentru a ajunge la această relație, Teorema Clairaut-Schwarz privind derivatele parțiale, care prevede următoarele:

"Derivatele mixte de ordinul doi cu variabilele interschimbate sunt egale, atâta timp cât funcțiile care urmează să fie derivate sunt continue și diferențiate".

A doua relație a lui Maxwell

Pe baza a ceea ce este prezentat la punctul 3 din secțiunea anterioară:

H = H (S, P) și dH = TdS + VdP

Se poate obține:

 ∂PT |S = ∂SV |P 

Procedăm în mod similar cu energia liberă Gibbs G = G (P, T) și cu energie gratuită Helmholtz F = F (T, V) pentru a obține celelalte două relații termodinamice Maxwell. 

Figura 2. Josiah Gibbs (1839-1903) a fost un fizician, chimist și matematician american care a adus mari contribuții la termodinamică. Sursa: Wikimedia Commons.

Cele patru relații termodinamice ale lui Maxwell 

1- Asociat cu energia internă U: VT |S = -∂SP |V

2- Cel obținut din entalpia H: PT |S = ∂SV |P 

3- Legat de energia Helmholtz F: TP |V = ∂VS |T 

4- Legat de energia liberă Gibbs G: TV |P = -∂PS |T

Figura 2. Energia Gibbs depinde de presiune și temperatură. Fiecare suprafață reprezintă o fază. (serc.carleton.edu)

Exerciții rezolvate

Exercitiul 1

Calculați variația energiei libere Gibbs pentru 2 moli de gaz ideal la o temperatură de 300K în timpul unei expansiuni izoterme care duce sistemul de la un volum inițial de 20 litri la un volum final de 40 litri.

Soluţie

Amintind definiția energiei libere Gibbs avem:

G = H - T S

Atunci o variație finită a lui F va fi:

ΔG = ΔH - T ΔS, deoarece ΔT = 0

În gazele ideale, entalpia depinde doar de temperatura sa absolută, dar din moment ce este un proces izoterm, atunci ΔH = 0 și ΔG = - T ΔS.

Pentru gazele ideale, schimbarea entropiei unui proces izoterm este: 

ΔS = nR ln (VDouă/ V1)

Cea aplicată în cazul acestui exercițiu rămâne:

ΔS = 2 moli x 8,314 J / (K mol) x ln (40L / 20L) = 11,53 J / K

Atunci putem obține schimbarea energiei Helmholtz:

ΔG = - 300K x 11,53 J / K = -3457,70 J.

Exercițiul 2

Luând în considerare faptul că energia liberă Gibbs este o funcție de temperatură și presiune G = G (T, P); determinați variația lui G în timpul unui proces în care temperatura nu se schimbă (izotermă) pentru n moli de gaz ideal monatomic.

Soluţie

După cum s-a demonstrat mai sus, schimbarea energiei Gibbs depinde doar de schimbarea temperaturii T și a volumului V, astfel încât o variație infinitesimală a acesteia este calculată în funcție de:

dG = -SdT + VdP

Dar dacă este un proces în care temperatura este constantă, atunci dF = + VdP, deci o variație finită a presiunii ΔP duce la o schimbare a energiei Gibbs dată de:

ΔG = + ∫ VdP = + ∫ (n R T) dP / P = + n R T ln (ΔP)

Folosind ecuația gazului ideal:

P V = n R T

În timpul unui proces izotermic se întâmplă că:

d (P V) = P dV + V dP = 0

Acesta este:

dP / P = - dV / V

Deci, rezultatul de mai sus poate fi scris în funcție de variația volumului ΔV:

ΔG = + ∫ VdP = + ∫ (n R T) dP / P = - ∫ (n R T) dV / V = ​​-n R T ln (ΔV)

Exercițiul 3

Având în vedere următoarea reacție chimică:

NDouă0 (g) + (3/2) ODouă (g) ↔️ 2NODouă (g) la temperatura T = 298 K.

Găsiți variația energiei libere Gibbs și, utilizând rezultatul obținut, indicați dacă este sau nu un proces spontan.

Soluţie

Iată pașii:

- Primul pas: entalpii de reacție

ΔHr = 2 * ΔH (NRDouă (g)) - ΔH (NDouă0 (g)) = 2 * 33,2-81,6 = -15,2kJ / mol

- Al doilea pas: variația entropiei reacției

ΔSr = 2 * S (NRDouă (g)) - S (NDouă0 (g)) - (3/2) S (ODouă (g)) = 2 * 240,1 - 220,1 - 1,5 * 205,2 = -47,7 J / (mol * K).

- Al treilea pas: variația funcției Gibbs

Această valoare va determina echilibrul dintre energia descrescătoare și entropia crescătoare pentru a ști dacă în cele din urmă reacția este spontană sau nu.

ΔGr = ΔHr - T ΔSr = -15,2 -298 * (- 47,7) = -985,4 J / mol

Deoarece este o variație negativă a energiei Gibbs, se poate concluziona că este o reacție spontană la temperatura de 298 K = 25 ºC.

Referințe

  1. Castane E. Exerciții de energie gratuită. Recuperat de pe: lidiaconlaquimica.wordpress.com.
  2. Cengel, Y. 2012. Termodinamică. Ediția a VII-a. Dealul Mcgraw.
  3. Libretexturi. Energie liberă Gibbs. Recuperat de pe: chem.libretexts.org
  4. Libretexturi. Ce sunt energiile gratuite. Recuperat de pe: chem.libretexts.org
  5. Wikipedia. Energie liberă Gibbs. Recuperat de pe: es.wikipedia.com
  6. Wikipedia. Energie liberă Gibbs. Recuperat de pe: en.wikipedia.com

Nimeni nu a comentat acest articol încă.