احسب الطاقة الحرة لجيبس (ΔG) لتحديد عفوية التفاعل من خلال إدخال قيم الإنثالبي (ΔH) ودرجة الحرارة (T) والإنتروبيا (ΔS). ضروري لتطبيقات الكيمياء، الكيمياء الحيوية، والديناميكا الحرارية.
ΔG = ΔH - TΔS
حيث ΔG هي الطاقة الحرة لجيبس، ΔH هي الإنثالبي، T هي درجة الحرارة، و ΔS هي الإنتروبيا
الطاقة الحرة لجيبس هي خاصية حرارية أساسية تتنبأ بما إذا كانت التفاعلات الكيميائية والعمليات الفيزيائية ستحدث بشكل تلقائي. تساعد هذه الحاسبة المجانية للطاقة الحرة لجيبس العلماء والمهندسين والطلاب على تحديد جدوى التفاعل بسرعة باستخدام الصيغة المثبتة ΔG = ΔH - TΔS.
سُميت على اسم الفيزيائي الأمريكي جوسيا ويلارد جيبس، تجمع هذه الإمكانية الحرارية بين الإنثالبي (محتوى الحرارة) والإنتروبيا (الفوضى) لتوفير قيمة واحدة تشير إلى ما إذا كانت العملية ستسير بشكل طبيعي دون إدخال طاقة خارجية. تقدم حاسبتنا نتائج فورية ودقيقة للحسابات الحرارية في الكيمياء، الكيمياء الحيوية، علوم المواد، وتطبيقات الهندسة.
الفوائد الرئيسية لاستخدام حاسبة الطاقة الحرة لجيبس لدينا:
تُحسب تغير الطاقة الحرة لجيبس (ΔG) باستخدام المعادلة التالية:
حيث:
تمثل هذه المعادلة التوازن بين عاملين حراريين أساسيين:
يوفر إشارة ΔG معلومات حاسمة حول تلقائية التفاعل:
من المهم ملاحظة أن التلقائية لا تشير بالضرورة إلى سرعة التفاعل - فقد يستمر التفاعل التلقائي ببطء شديد دون وجود محفز.
يشير تغير الطاقة الحرة لجيبس القياسية (ΔG°) إلى تغير الطاقة عندما تكون جميع المتفاعلات والمنتجات في حالاتهم القياسية (عادةً عند ضغط 1 atm، وتركيز 1 M للمحاليل، وغالبًا عند 298.15 K أو 25°C). تصبح المعادلة:
حيث ΔH° و ΔS° هما تغيرات الإنثالبي والإنتروبيا القياسية، على التوالي.
تم تصميم حاسبة الطاقة الحرة لجيبس لدينا لتكون بسيطة وسهلة الاستخدام. اتبع هذه الخطوات لحساب تغير الطاقة الحرة لجيبس لتفاعلك أو عمليتك:
أدخل تغير الإنثالبي (ΔH) بالكيلوجول لكل مول (kJ/mol)
أدخل درجة الحرارة (T) بالكلفن
أدخل تغير الإنتروبيا (ΔS) بالكيلوجول لكل مول-كلفن (kJ/(mol·K))
عرض النتيجة
تقوم الحاسبة بإجراء الفحوصات التالية على مدخلات المستخدم:
إذا تم اكتشاف مدخلات غير صالحة، سيتم عرض رسالة خطأ، ولن تستمر الحسابات حتى يتم تصحيحها.
دعونا نستعرض مثالًا عمليًا لتوضيح كيفية استخدام حاسبة الطاقة الحرة لجيبس:
مثال: احسب تغير الطاقة الحرة لجيبس لتفاعل مع ΔH = -92.4 kJ/mol و ΔS = 0.0987 kJ/(mol·K) عند 298 K.
أدخل ΔH = -92.4 kJ/mol
أدخل T = 298 K
أدخل ΔS = 0.0987 kJ/(mol·K)
تقوم الحاسبة بإجراء الحساب: ΔG = ΔH - TΔS ΔG = -92.4 kJ/mol - (298 K × 0.0987 kJ/(mol·K)) ΔG = -92.4 kJ/mol - 29.41 kJ/mol ΔG = -121.81 kJ/mol
التفسير: نظرًا لأن ΔG سالب (-121.81 kJ/mol)، فإن هذا التفاعل تلقائي عند 298 K.
تعتبر حسابات الطاقة الحرة لجيبس ضرورية في العديد من التطبيقات العلمية والهندسية:
يستخدم الكيميائيون الطاقة الحرة لجيبس للتنبؤ بما إذا كان التفاعل سيحدث تلقائيًا تحت ظروف معينة. يساعد ذلك في:
في الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي، تساعد الطاقة الحرة لجيبس في فهم:
يستخدم علماء المواد والمهندسون حسابات الطاقة الحرة لجيبس في:
تشمل التطبيقات البيئية:
في البيئات الصناعية، تساعد حسابات الطاقة الحرة لجيبس في تحسين:
بينما تعتبر الطاقة الحرة لجيبس أداة حرارية قوية، قد تكون بعض المعلمات ذات الصلة أكثر ملاءمة في بعض الحالات:
تعرف على أنها A = U - TS (حيث U هو الطاقة الداخلية)، تعتبر الطاقة الحرة هيلمهولتز أكثر ملاءمة للأنظمة عند حجم ثابت بدلاً من ضغط ثابت. إنها مفيدة بشكل خاص في:
بالنسبة للعمليات التي تهم فيها تبادل الحرارة فقط وتأثيرات الإنتروبيا غير ملحوظة، قد يكون الإنثالبي (H = U + PV) كافيًا. غالبًا ما يستخدم في:
عند التركيز فقط على الفوضى والاحتمالية، قد تكون الإنتروبيا وحدها هي المعلمة ذات الاهتمام، خاصة في:
بالنسبة للأنظمة ذات التركيب المتغير، يصبح الجهد الكيميائي (الطاقة الحرة لجيبس الجزئية) مهمًا في:
لدى مفهوم الطاقة الحرة لجيبس تاريخ غني في تطوير الديناميكا الحرارية:
قدم جوسيا ويلارد جيبس (1839-1903)، عالم الفيزياء والرياضيات الأمريكي، هذا المفهوم في عمله الرائد "عن توازن المواد غير المتجانسة"، الذي نُشر بين عامي 1875 و1878. يُعتبر هذا العمل واحدًا من أعظم الإنجازات في العلوم الفيزيائية في القرن التاسع عشر، حيث أسس أساس الديناميكا الحرارية الكيميائية.
طور جيبس هذه الإمكانية الحرارية أثناء سعيه لفهم الظروف اللازمة للتوازن في الأنظمة الكيميائية. أدرك أنه عند درجة حرارة وضغط ثابتين، يمكن التنبؤ باتجاه التغيير التلقائي من خلال دالة واحدة تجمع بين تأثيرات الإنثالبي والإنتروبيا.
في البداية، لم تحظ أعمال جيبس باهتمام كبير في الولايات المتحدة، لكنها كانت تحظى بتقدير كبير في أوروبا، خاصة بعد أن تُرجمت إلى الألمانية بواسطة فيلهلم أوستفالد. اليوم، تعتبر الطاقة الحرة لجيبس مفهومًا أساسيًا في الكيمياء الفيزيائية، والهندسة الكيميائية، وعلوم المواد، والكيمياء الحيوية. لقد مكنت القدرة على التنبؤ بتلقائية التفاعل ومواقع التوازن باستخدام حسابات الطاقة الحرة لجيبس من تحقيق العديد من التقدمات العلمية والابتكارات التكنولوجية.
إليك أمثلة على كيفية حساب الطاقة الحرة لجيبس في لغات برمجة مختلفة:
1' صيغة Excel للطاقة الحرة لجيبس
2=B2-(C2*D2)
3
4' حيث:
5' B2 تحتوي على تغير الإنثالبي (ΔH) بالكيلوجول لكل مول
6' C2 تحتوي على درجة الحرارة (T) بالكلفن
7' D2 تحتوي على تغير الإنتروبيا (ΔS) بالكيلوجول/(mol·K)
81def calculate_gibbs_free_energy(enthalpy, temperature, entropy):
2 """
3 حساب تغير الطاقة الحرة لجيبس
4
5 المعلمات:
6 enthalpy (float): تغير الإنثالبي بالكيلوجول لكل مول
7 temperature (float): درجة الحرارة بالكلفن
8 entropy (float): تغير الإنتروبيا بالكيلوجول/(mol·K)
9
10 العائدات:
11 float: تغير الطاقة الحرة لجيبس بالكيلوجول لكل مول
12 """
13 gibbs_energy = enthalpy - (temperature * entropy)
14 return gibbs_energy
15
16# مثال على الاستخدام
17delta_h = -92.4 # kJ/mol
18temp = 298.15 # K
19delta_s = 0.0987 # kJ/(mol·K)
20
21delta_g = calculate_gibbs_free_energy(delta_h, temp, delta_s)
22print(f"تغير الطاقة الحرة لجيبس: {delta_g:.2f} kJ/mol")
23
24# تحديد التلقائية
25if delta_g < 0:
26 print("التفاعل تلقائي.")
27elif delta_g > 0:
28 print("التفاعل غير تلقائي.")
29else:
30 print("التفاعل في حالة توازن.")
311function calculateGibbsFreeEnergy(enthalpy, temperature, entropy) {
2 // حساب تغير الطاقة الحرة لجيبس
3 // enthalpy: kJ/mol
4 // temperature: كلفن
5 // entropy: kJ/(mol·K)
6
7 const gibbsEnergy = enthalpy - (temperature * entropy);
8 return gibbsEnergy;
9}
10
11// مثال على الاستخدام
12const deltaH = -92.4; // kJ/mol
13const temp = 298.15; // K
14const deltaS = 0.0987; // kJ/(mol·K)
15
16const deltaG = calculateGibbsFreeEnergy(deltaH, temp, deltaS);
17console.log(`تغير الطاقة الحرة لجيبس: ${deltaG.toFixed(2)} kJ/mol`);
18
19// تحديد التلقائية
20if (deltaG < 0) {
21 console.log("التفاعل تلقائي.");
22} else if (deltaG > 0) {
23 console.log("التفاعل غير تلقائي.");
24} else {
25 console.log("التفاعل في حالة توازن.");
26}
271public class GibbsFreeEnergyCalculator {
2 /**
3 * حساب تغير الطاقة الحرة لجيبس
4 *
5 * @param enthalpy تغير الإنثالبي بالكيلوجول لكل مول
6 * @param temperature درجة الحرارة بالكلفن
7 * @param entropy تغير الإنتروبيا بالكيلوجول/(mol·K)
8 * @return تغير الطاقة الحرة لجيبس بالكيلوجول لكل مول
9 */
10 public static double calculateGibbsFreeEnergy(double enthalpy, double temperature, double entropy) {
11 return enthalpy - (temperature * entropy);
12 }
13
14 public static void main(String[] args) {
15 double deltaH = -92.4; // kJ/mol
16 double temp = 298.15; // K
17 double deltaS = 0.0987; // kJ/(mol·K)
18
19 double deltaG = calculateGibbsFreeEnergy(deltaH, temp, deltaS);
20 System.out.printf("تغير الطاقة الحرة لجيبس: %.2f kJ/mol%n", deltaG);
21
22 // تحديد التلقائية
23 if (deltaG < 0) {
24 System.out.println("التفاعل تلقائي.");
25 } else if (deltaG > 0) {
26 System.out.println("التفاعل غير تلقائي.");
27 } else {
28 System.out.println("التفاعل في حالة توازن.");
29 }
30 }
31}
321#include <iostream>
2#include <iomanip>
3
4/**
5 * حساب تغير الطاقة الحرة لجيبس
6 *
7 * @param enthalpy تغير الإنثالبي بالكيلوجول لكل مول
8 * @param temperature درجة الحرارة بالكلفن
9 * @param entropy تغير الإنتروبيا بالكيلوجول/(mol·K)
10 * @return تغير الطاقة الحرة لجيبس بالكيلوجول لكل مول
11 */
12double calculateGibbsFreeEnergy(double enthalpy, double temperature, double entropy) {
13 return enthalpy - (temperature * entropy);
14}
15
16int main() {
17 double deltaH = -92.4; // kJ/mol
18 double temp = 298.15; // K
19 double deltaS = 0.0987; // kJ/(mol·K)
20
21 double deltaG = calculateGibbsFreeEnergy(deltaH, temp, deltaS);
22
23 std::cout << "تغير الطاقة الحرة لجيبس: " << std::fixed << std::setprecision(2)
24 << deltaG << " kJ/mol" << std::endl;
25
26 // تحديد التلقائية
27 if (deltaG < 0) {
28 std::cout << "التفاعل تلقائي." << std::endl;
29 } else if (deltaG > 0) {
30 std::cout << "التفاعل غير تلقائي." << std::endl;
31 } else {
32 std::cout << "التفاعل في حالة توازن." << std::endl;
33 }
34
35 return 0;
36}
37# دالة R لحساب الطاقة الحرة لجيبس calculate_g
اكتشف المزيد من الأدوات التي قد تكون مفيدة لسير عملك