吉布斯函數

吉布斯函數

系統的熱力學函數
吉布斯函數(Gibbs function),系統的熱力學函數之一。又稱熱力勢、自由焓、吉布斯自由能等。符号G,定義為:G=H-TS,式中H、T、S分别為系統的焓、熱力學溫度(開爾文溫度K)和熵。吉布斯函數是系統的廣延性質,具有能量的量綱。由于H,S,T都是狀态函數,因而G也必然是一個狀态函數。
  • 中文名:吉布斯函數
  • 外文名:
  • 适用領域:
  • 所屬學科:
  • 其他外文名:Gibbs function
  • 學科:數學

概述

吉布斯(Gibbs)函數又稱為自由焓、吉布斯自由能函數、等溫等壓位、自由能等。

當體系發生變化時,G也随之變化。其改變值△G,稱為體系的吉布斯自由能變,隻取決于變化的始态與終态,而與變化的途徑無關:△G=G終一G始

按照吉布斯自由能的定義,可以推出當體系從狀态1變化到狀态2時,體系的吉布斯自由能變為:△G=G2一Gl=△H一△(TS)

對于等溫條件下的反應而言,有T2=T1=T

則△G=△H一T△S

上式稱為吉布斯一赫姆霍茲公式(亦稱吉布斯等溫方程)。由此可以看出,△G包含了△H和△S的因素,若用△G作為自發反應方向的判據時,實質包含了△H和△S兩方面的影響,即同時考慮到推動化學反應的兩個主要因素。因而用△G作判據更為全面可靠。而且隻要是在等溫、等壓條件下發生的反應,都可用△G作為反應方向性的判據,而大部分化學反應都可歸入到這一範疇中,因而用△G作為判别化學反應方向性的判據是很方便可行的。

如果一個封閉系統經曆一個等溫定壓過程,則有:

ΔG≤W′(2)式中ΔG為此過程系統的吉布斯函數的變化值,W′為該過程中的非體積功,不等号表示該過程為不可逆過程,等号表示該過程為可逆過程。式(2)表明,在等溫定壓過程中,一個封閉系統吉布斯函數的減少值等于該系統在此過程中所能做的最大非體積功。

如果一個封閉系統經曆一個等溫定壓且無非體積功的過程,則根據式(2)可得:

ΔG≤0(3)式(3)表明,在封閉系統中,等溫定壓且不作非體積功的過程總是自動地向着系統的吉布斯函數減小的方向進行,直到系統的吉布斯函數達到一個最小值為止。因此,在上述條件下,系統吉布斯函數的變化可以作為過程方向和限度的判斷依據,尤其是在相平衡及化學平衡的熱力學研究中,吉布斯函數是一個極其有用的熱力學函數。

判據應用

化學反應自發性判斷:

考慮ΔH和ΔS兩個因素的影響,可分為以下四種情。

1)ΔH<0,ΔS>0;ΔG<0正向自。

2)ΔH>0,ΔS<0;ΔG>0正向非自。

3)ΔH>0,ΔS>0;升溫至某溫度時,ΔG由正值變為負值,高溫有利于正向自。

4)ΔH<0,ΔS<0;降溫至某溫度時,ΔG由正值變為負值,低溫有利于正向自發。

提出

1876年美國著名數學物理學家,數學化學家吉布斯在康涅狄格科學院學報上發表了奠定化學熱力學基礎的經典之作《論非均相物體的平衡》的第一部分。1878年他完成了第二部分。這一長達三百餘頁的論文被認為是化學史上最重要的論文之一,其中提出了吉布斯自由能(又叫吉布斯函數),化學勢等概念,闡明了化學平衡、相平衡、表面吸附等現象的本質。

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