محاسبه انرژی آزاد گیبز

مقدمه

محاسبه انرژی آزاد گیبز ابزاری اساسی در ترمودینامیک است که به تعیین اینکه آیا یک واکنش شیمیایی یا فرآیند فیزیکی به طور خودبخود تحت شرایط دمای ثابت و فشار انجام می‌شود، کمک می‌کند. این پتانسیل ترمودینامیکی که به نام جوزیا ویلارد گیبز نامگذاری شده، برای درک تعادل شیمیایی، قابلیت واکنش و تبدیل‌های انرژی در برنامه‌های مختلف علمی و مهندسی بسیار مهم است. محاسبه‌گر ما راهی ساده برای محاسبه انرژی آزاد گیبز (ΔG) با استفاده از معادله بنیادی ΔG = ΔH - TΔS ارائه می‌دهد، که در آن ΔH تغییر آنتالپی، T دما و ΔS تغییر آنتروپی را نشان می‌دهد.

انرژی آزاد گیبز به عنوان یک پیش‌بینی‌کننده قوی از خودبخودی واکنش عمل می‌کند - مقادیر منفی نشان‌دهنده فرآیندهای خودبخودی هستند، در حالی که مقادیر مثبت نشان‌دهنده واکنش‌های غیر خودبخودی هستند که نیاز به ورودی انرژی دارند. با درک و محاسبه این پارامتر ترمودینامیکی اساسی، دانشمندان، مهندسان و دانشجویان می‌توانند نتایج واکنش‌ها را پیش‌بینی کرده، فرآیندها را بهینه‌سازی کنند و درک عمیق‌تری از انرژی‌سنجی تبدیل‌های شیمیایی و فیزیکی به دست آورند.

فرمول انرژی آزاد گیبز

تغییر انرژی آزاد گیبز (ΔG) با استفاده از معادله زیر محاسبه می‌شود:

$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$

که در آن:

• ΔG = تغییر انرژی آزاد گیبز (kJ/mol)
• ΔH = تغییر آنتالپی (kJ/mol)
• T = دما (کلوین)
• ΔS = تغییر آنتروپی (kJ/(mol·K))

این معادله تعادل بین دو عامل ترمودینامیکی اساسی را نشان می‌دهد:

1. تغییر آنتالپی (ΔH): نشان‌دهنده تبادل حرارت در طول یک فرآیند در فشار ثابت
2. تغییر آنتروپی (ΔS): نشان‌دهنده تغییر در بی‌نظمی سیستم، ضرب در دما

تفسیر نتایج

علامت ΔG اطلاعات مهمی درباره خودبخودی واکنش ارائه می‌دهد:

• ΔG < 0 (منفی): فرآیند خودبخودی (اکسرگونیک) است و می‌تواند بدون ورودی انرژی خارجی انجام شود
• ΔG = 0: سیستم در تعادل است و هیچ تغییر خالصی ندارد
• ΔG > 0 (مثبت): فرآیند غیر خودبخودی (اندرگونیک) است و برای پیشرفت نیاز به ورودی انرژی دارد

مهم است که توجه داشته باشید که خودبخودی لزوماً به معنای سرعت واکنش نیست - یک واکنش خودبخودی ممکن است هنوز به آرامی پیش برود بدون کاتالیزور.

انرژی آزاد گیبز استاندارد

تغییر انرژی آزاد گیبز استاندارد (ΔG°) به تغییر انرژی هنگامیکه همه واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در حالت‌های استاندارد خود هستند (معمولاً فشار 1 اتمسفر، غلظت 1 M برای محلول‌ها و معمولاً در 298.15 K یا 25°C) اشاره دارد. معادله به صورت زیر می‌شود:

$\Delta G° = \Delta H° - T\Delta S°$

که در آن ΔH° و ΔS° به ترتیب تغییرات آنتالپی و آنتروپی استاندارد هستند.

نحوه استفاده از این محاسبه‌گر

محاسبه‌گر انرژی آزاد گیبز ما برای سادگی و سهولت استفاده طراحی شده است. مراحل زیر را برای محاسبه تغییر انرژی آزاد گیبز برای واکنش یا فرآیند خود دنبال کنید:

1. تغییر آنتالپی (ΔH) را به کیلوژول بر مول (kJ/mol) وارد کنید

   • این مقدار نشان‌دهنده حرارت جذب شده یا آزاد شده در طول واکنش در فشار ثابت است
   • مقادیر مثبت نشان‌دهنده فرآیندهای اندروترمیک (حرارت جذب شده) هستند
   • مقادیر منفی نشان‌دهنده فرآیندهای اکسرترمیک (حرارت آزاد شده) هستند

2. دمای (T) را به کلوین وارد کنید

   • به یاد داشته باشید که اگر نیاز باشد از سلسیوس به کلوین تبدیل کنید (K = °C + 273.15)
   • دمای استاندارد معمولاً 298.15 K (25°C) است

3. تغییر آنتروپی (ΔS) را به کیلوژول بر مول-کلوین (kJ/(mol·K)) وارد کنید

   • این مقدار نشان‌دهنده تغییر در بی‌نظمی یا تصادفی بودن است
   • مقادیر مثبت نشان‌دهنده افزایش بی‌نظمی هستند
   • مقادیر منفی نشان‌دهنده کاهش بی‌نظمی هستند

4. نتیجه را مشاهده کنید

   • محاسبه‌گر به طور خودکار تغییر انرژی آزاد گیبز (ΔG) را محاسبه می‌کند
   • نتیجه به کیلوژول بر مول نمایش داده می‌شود
   • تفسیر اینکه آیا فرآیند خودبخودی یا غیر خودبخودی است ارائه خواهد شد

اعتبارسنجی ورودی

محاسبه‌گر بررسی‌های زیر را بر روی ورودی‌های کاربر انجام می‌دهد:

• همه مقادیر باید عددی باشند
• دما باید در کلوین و مثبت باشد (T > 0)
• آنتالپی و آنتروپی می‌توانند مثبت، منفی یا صفر باشند

اگر ورودی‌های نامعتبر شناسایی شوند، یک پیام خطا نمایش داده می‌شود و محاسبه تا اصلاح آن ادامه نخواهد یافت.

مثال محاسبه مرحله به مرحله

بیایید از طریق یک مثال عملی برای نشان دادن نحوه استفاده از محاسبه‌گر انرژی آزاد گیبز عبور کنیم:

مثال: تغییر انرژی آزاد گیبز را برای یک واکنش با ΔH = -92.4 kJ/mol و ΔS = 0.0987 kJ/(mol·K) در 298 K محاسبه کنید.

1. ΔH = -92.4 kJ/mol را وارد کنید

2. T = 298 K را وارد کنید

3. ΔS = 0.0987 kJ/(mol·K) را وارد کنید

4. محاسبه‌گر محاسبه را انجام می‌دهد: 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

5. تفسیر: از آنجایی که ΔG منفی است (-121.81 kJ/mol)، این واکنش در 298 K خودبخودی است.

موارد استفاده

محاسبات انرژی آزاد گیبز در بسیاری از برنامه‌های علمی و مهندسی ضروری است:

1. قابلیت واکنش شیمیایی

شیمیدان‌ها از انرژی آزاد گیبز برای پیش‌بینی اینکه آیا یک واکنش به طور خودبخودی تحت شرایط خاص انجام خواهد شد، استفاده می‌کنند. این کمک می‌کند در:

• طراحی مسیرهای سنتزی برای ترکیبات جدید
• بهینه‌سازی شرایط واکنش برای بهبود بازده
• درک مکانیزم‌های واکنش و میان‌واکنش‌ها
• پیش‌بینی توزیع محصولات در واکنش‌های رقیب

2. فرآیندهای بیوشیمیایی

در بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی، انرژی آزاد گیبز به درک کمک می‌کند:

• مسیرهای متابولیک و تبدیل‌های انرژی
• تا خوردن و پایداری پروتئین
• واکنش‌های کاتالیز شده توسط آنزیم
• فرآیندهای انتقال غشایی سلولی
• تعاملات DNA و RNA

3. علم مواد

دانشمندان و مهندسان مواد از محاسبات انرژی آزاد گیبز برای:

• توسعه نمودارهای فازی
• طراحی و بهینه‌سازی آلیاژها
• پیش‌بینی رفتار خوردگی
• درک واکنش‌های حالت جامد
• طراحی مواد جدید با خواص خاص استفاده می‌کنند

4. علم محیط زیست

برنامه‌های محیط زیستی شامل:

• پیش‌بینی حمل و نقل و سرنوشت آلاینده‌ها
• درک فرآیندهای ژئوشیمیایی
• مدل‌سازی واکنش‌های جوی
• طراحی استراتژی‌های ترمیم
• مطالعه مکانیسم‌های تغییرات اقلیمی

5. فرآیندهای صنعتی

در محیط‌های صنعتی، محاسبات انرژی آزاد گیبز به بهینه‌سازی کمک می‌کند:

• فرآیندهای تولید شیمیایی
• عملیات تصفیه نفت
• تولید دارو
• تکنیک‌های فرآوری غذا
• سیستم‌های تولید انرژی

گزینه‌های دیگر

در حالی که انرژی آزاد گیبز یک ابزار ترمودینامیکی قدرتمند است، سایر پارامترهای مرتبط ممکن است در برخی شرایط مناسب‌تر باشند:

1. انرژی آزاد هلمهولتز (A یا F)

تعریف شده به عنوان A = U - TS (که در آن U انرژی داخلی است)، انرژی آزاد هلمهولتز برای سیستم‌هایی که در حجم ثابت قرار دارند، مناسب‌تر است تا فشار ثابت. این به ویژه در:

• مکانیک آماری
• فیزیک حالت جامد
• سیستم‌هایی که حجم آنها محدود است، مفید است

2. آنتالپی (H)

برای فرآیندهایی که فقط تبادل حرارت مهم است و اثرات آنتروپی ناچیز است، آنتالپی (H = U + PV) ممکن است کافی باشد. این معمولاً در:

• محاسبات احتراق ساده
• فرآیندهای گرمایش و سرمایش
• آزمایش‌های کالریمتری استفاده می‌شود

3. آنتروپی (S)

زمانی که تمرکز فقط بر روی بی‌نظمی و احتمال است، آنتروپی به تنهایی ممکن است پارامتر مورد نظر باشد، به ویژه در:

• نظریه اطلاعات
• تجزیه و تحلیل آماری
• مطالعات غیرقابل برگشت
• محاسبات کارایی موتورهای حرارتی

4. پتانسیل شیمیایی (μ)

برای سیستم‌هایی با ترکیب متغیر، پتانسیل شیمیایی (انرژی آزاد جزئی گیبز) در موارد زیر مهم می‌شود:

• تعادل فازی
• شیمی محلول
• سیستم‌های الکتروشیمیایی
• انتقال غشایی

تاریخچه انرژی آزاد گیبز

مفهوم انرژی آزاد گیبز تاریخ غنی‌ای در توسعه ترمودینامیک دارد:

ریشه‌ها و توسعه

جوزیا ویلارد گیبز (1839-1903)، یک دانشمند و ریاضی‌دان آمریکایی، اولین بار این مفهوم را در کار انقلابی خود "در تعادل مواد ناهمگن" که بین سال‌های 1875 و 1878 منتشر شد، معرفی کرد. این کار به عنوان یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای علم فیزیکی در قرن نوزدهم شناخته می‌شود و بنیاد ترمودینامیک شیمیایی را تأسیس می‌کند.

گیبز این پتانسیل ترمودینامیکی را در حالی توسعه داد که به دنبال درک شرایط تعادل در سیستم‌های شیمیایی بود. او تشخیص داد که در دما و فشار ثابت، جهت تغییر خودبخودی می‌تواند توسط یک تابع واحد که اثرات آنتالپی و آنتروپی را ترکیب می‌کند، پیش‌بینی شود.

نقاط عطف تاریخی کلیدی

• 1873: گیبز کار بر روی سیستم‌های ترمودینامیکی را آغاز می‌کند
• 1875-1878: انتشار "در تعادل مواد ناهمگن" که مفهوم انرژی گیبز را معرفی می‌کند
• 1882-1883: فیزیکدان آلمانی هرمان فون هلمهولتز به طور مستقل روابط مشابهی را استخراج می‌کند
• اوایل 1900: گیلبرت ن. لوئیس و مرل رندال نوتیشن و کاربردهای ترمودینامیک شیمیایی را استاندارد می‌کنند
• 1923: لوئیس و رندال "ترمودینامیک و انرژی آزاد مواد شیمیایی" را منتشر می‌کنند و استفاده از انرژی آزاد گیبز را در شیمی محبوب می‌سازند
• 1933: ادوارد آ. گوگنهایم نوتیشن و اصطلاحات مدرن را که هنوز هم استفاده می‌شود، معرفی می‌کند
• اواسط قرن 20: ادغام مفاهیم انرژی گیبز با مکانیک آماری و نظریه کوانتومی
• اواخر قرن 20: روش‌های محاسباتی امکان محاسبات پیچیده انرژی گیبز برای سیستم‌های واقعی را فراهم می‌کنند

تأثیر و میراث

کار گیبز در ابتدا در ایالات متحده توجه کمی را جلب کرد، اما در اروپا بسیار مورد توجه قرار گرفت، به ویژه پس از اینکه به زبان آلمانی توسط ویلهلم اوستوالد ترجمه شد. امروزه انرژی آزاد گیبز یک مفهوم بنیادی در شیمی فیزیکی، مهندسی شیمی، علم مواد و بیوشیمی است. توانایی پیش‌بینی خودبخودی واکنش‌ها و موقعیت‌های تعادل با استفاده از محاسبات انرژی آزاد گیبز موجب پیشرفت‌های علمی و نوآوری‌های فناوری بی‌شماری شده است.

مثال‌های کد

در اینجا مثال‌هایی از نحوه محاسبه انرژی آزاد گیبز در زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف آورده شده است:

1' فرمول اکسل برای انرژی آزاد گیبز
2=B2-(C2*D2)
3
4' که در آن:
5' B2 شامل تغییر آنتالپی (ΔH) به کیلوژول بر مول است
6' C2 شامل دما (T) به کلوین است
7' D2 شامل تغییر آنتروپی (ΔS) به کیلوژول/(mol·K) است
8

1def calculate_gibbs_free_energy(enthalpy, temperature, entropy):
2    """
3    محاسبه تغییر انرژی آزاد گیبز
4    
5    پارامترها:
6    enthalpy (float): تغییر آنتالپی به کیلوژول بر مول
7    temperature (float): دما به کلوین
8    entropy (float): تغییر آنتروپی به کیلوژول/(mol·K)
9    
10    بازگشت:
11    float: تغییر انرژی آزاد گیبز به کیلوژول بر مول
12    """
13    gibbs_energy = enthalpy - (temperature * entropy)
14    return gibbs_energy
15
16# مثال استفاده
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"تغییر انرژی آزاد گیبز: {delta_g:.2f} kJ/mol")
23
24# تعیین خودبخودی
25if delta_g < 0:
26    print("واکنش خودبخودی است.")
27elif delta_g > 0:
28    print("واکنش غیر خودبخودی است.")
29else:
30    print("واکنش در تعادل است.")
31

1function calculateGibbsFreeEnergy(enthalpy, temperature, entropy) {
2  // محاسبه تغییر انرژی آزاد گیبز
3  // enthalpy: kJ/mol
4  // temperature: کلوین
5  // entropy: kJ/(mol·K)
6  
7  const gibbsEnergy = enthalpy - (temperature * entropy);
8  return gibbsEnergy;
9}
10
11// مثال استفاده
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(`تغییر انرژی آزاد گیبز: ${deltaG.toFixed(2)} kJ/mol`);
18
19// تعیین خودبخودی
20if (deltaG < 0) {
21  console.log("واکنش خودبخودی است.");
22} else if (deltaG > 0) {
23  console.log("واکنش غیر خودبخودی است.");
24} else {
25  console.log("واکنش در تعادل است.");
26}
27

1public class GibbsFreeEnergyCalculator {
2    /**
3     * محاسبه تغییر انرژی آزاد گیبز
4     * 
5     * @param enthalpy تغییر آنتالپی به کیلوژول بر مول
6     * @param temperature دما به کلوین
7     * @param entropy تغییر آنتروپی به کیلوژول/(mol·K)
8     * @return تغییر انرژی آزاد گیبز به کیلوژول بر 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("تغییر انرژی آزاد گیبز: %.2f kJ/mol%n", deltaG);
21        
22        // تعیین خودبخودی
23        if (deltaG < 0) {
24            System.out.println("واکنش خودبخودی است.");
25        } else if (deltaG > 0) {
26            System.out.println("واکنش غیر خودبخودی است.");
27        } else {
28            System.out.println("واکنش در تعادل است.");
29        }
30    }
31}
32

1#include <iostream>
2#include <iomanip>
3
4/**
5 * محاسبه تغییر انرژی آزاد گیبز
6 * 
7 * @param enthalpy تغییر آنتالپی به کیلوژول بر مول
8 * @param temperature دما به کلوین
9 * @param entropy تغییر آنتروپی به کیلوژول/(mol·K)
10 * @return تغییر انرژی آزاد گیبز به کیلوژول بر 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 << "تغییر انرژی آزاد گیبز: " << std::fixed << std::setprecision(2) 
24              << deltaG << " kJ/mol" << std::endl;
25    
26    // تعیین خودبخودی
27    if (deltaG < 0) {
28        std::cout << "واکنش خودبخودی است." << std::endl;
29    } else if (deltaG > 0) {
30        std::cout << "واکنش غیر خودبخودی است." << std::endl;
31    } else {
32        std::cout << "واکنش در تعادل است." << std::endl;
33    }
34    
35    return 0;
36}
37

1# تابع R برای محاسبه انرژی آزاد گیبز
2calculate_gibbs_free_energy <- function(enthalpy, temperature, entropy) {
3  # enthalpy: kJ/mol
4  # temperature: کلوین
5  # entropy: kJ/(mol·K)
6  
7  gibbs_energy <- enthalpy - (temperature * entropy)
8  return(gibbs_energy)
9}
10
11# مثال استفاده
12delta_h <- -92.4  # kJ/mol
13temp <- 298.15    # K
14delta_s <- 0.0987 # kJ/(mol·K)
15
16delta_g <- calculate_gibbs_free_energy(delta_h, temp, delta_s)
17cat(sprintf("تغییر انرژی آزاد گیبز: %.2f kJ/mol\n", delta_g))
18
19# تعیین خودبخودی
20if (delta_g < 0) {
21  cat("واکنش خودبخودی است.\n")
22} else if (delta_g > 0) {
23  cat("واکنش غیر خودبخودی است.\n")
24} else {
25  cat("واکنش در تعادل است.\n")
26}
27

وابستگی دما به انرژی آزاد گیبز

دما (K) انرژی آزاد گیبز (kJ/mol)

0 ΔH < 0, ΔS > 0 ΔH > 0, ΔS < 0 ΔH < 0, ΔS < 0 ΔH > 0, ΔS > 0

خودبخودی (ΔG < 0) غیر خودبخودی (ΔG > 0)

100 200 300 400

مثال‌های عددی

در اینجا چند مثال عملی از محاسبات انرژی آزاد گیبز آورده شده است:

مثال 1: واکنش گرمازا با افزایش آنتروپی

• تغییر آنتالپی (ΔH) = -85.0 kJ/mol
• دما (T) = 298 K
• تغییر آنتروپی (ΔS) = 0.156 kJ/(mol·K)
• تغییر انرژی آزاد گیبز (ΔG) = -85.0 - (298 × 0.156) = -131.49 kJ/mol
• تفسیر: واکنش به شدت خودبخودی به دلیل آنتالپی و آنتروپی مطلوب

مثال 2: واکنش اندوترمیک با افزایش آنتروپی

• تغییر آنتالپی (ΔH) = 42.5 kJ/mol
• دما (T) = 298 K
• تغییر آنتروپی (ΔS) = 0.125 kJ/(mol·K)
• تغییر انرژی آزاد گیبز (ΔG) = 42.5 - (298 × 0.125) = 5.25 kJ/mol
• تفسیر: غیر خودبخودی در 298 K، اما ممکن است در دماهای بالاتر خودبخودی شود

مثال 3: خودبخودی وابسته به دما

• تغییر آنتالپی (ΔH) = 30.0 kJ/mol
• تغییر آنتروپی (ΔS) = 0.100 kJ/(mol·K)
• در T = 273 K: ΔG = 30.0 - (273 × 0.100) = 2.7 kJ/mol (غیر خودبخودی)
• در T = 298 K: ΔG = 30.0 - (298 × 0.100) = 0.2 kJ/mol (غیر خودبخودی)
• در T = 303 K: ΔG = 30.0 - (303 × 0.100) = -0.3 kJ/mol (خودبخودی)
• تفسیر: این واکنش در دماهای بالای تقریباً 300 K خودبخودی می‌شود

مثال 4: دمای تعادل

برای واکنشی با ΔH = 15.0 kJ/mol و ΔS = 0.050 kJ/(mol·K)، در چه دمایی تعادل رخ می‌دهد؟

در تعادل، ΔG = 0، بنابراین: 0 = 15.0 - (T × 0.050) T = 15.0 ÷ 0.050 = 300 K

تفسیر: زیر 300 K، واکنش غیر خودبخودی است؛ بالای 300 K، خودبخودی می‌شود.

سوالات متداول

انرژی آزاد گیبز چیست؟

انرژی آزاد گیبز (G) یک پتانسیل ترمودینامیکی است که حداکثر کار برگشت‌پذیری را که یک سیستم می‌تواند در دما و فشار ثابت انجام دهد، اندازه‌گیری می‌کند. تغییر انرژی آزاد گیبز (ΔG) نشان‌دهنده این است که آیا یک فرآیند به طور خودبخودی انجام می‌شود یا خیر.

چگونه می‌توانم یک مقدار منفی انرژی آزاد گیبز را تفسیر کنم؟

تغییر انرژی آزاد گیبز منفی (ΔG < 0) نشان‌دهنده این است که واکنش یا فرآیند خودبخودی است و می‌تواند بدون ورودی انرژی خارجی انجام شود. این به این معنی است که واکنش انرژی قابل استفاده را در حین پیشرفت به سمت تعادل آزاد می‌کند.

آیا واکنشی با ΔH مثبت می‌تواند خودبخودی باشد؟

بله، یک واکنش با تغییر آنتالپی مثبت (اندوترمیک) می‌تواند هنوز هم خودبخودی باشد اگر تغییر آنتروپی به اندازه کافی مثبت باشد و دما به اندازه کافی بالا باشد. وقتی TΔS از ΔH بیشتر شود، ΔG کلی منفی می‌شود و فرآیند خودبخودی می‌شود.

تفاوت بین ΔG و ΔG° چیست؟

ΔG به تغییر انرژی آزاد گیبز تحت هر شرایطی اشاره دارد، در حالی که ΔG° به تغییر انرژی آزاد گیبز استاندارد اشاره دارد که در آن همه واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در حالت‌های استاندارد خود هستند (معمولاً فشار 1 اتمسفر، غلظت 1 M برای محلول‌ها و معمولاً در 298.15 K).

چگونه دما بر خودبخودی واکنش تأثیر می‌گذارد؟

دما به طور مستقیم بر روی عبارت TΔS در معادله گیبز تأثیر می‌گذارد. برای واکنش‌هایی با تغییر آنتروپی مثبت (ΔS > 0)، افزایش دما باعث می‌شود که عبارت -TΔS منفی‌تر شود و احتمالاً ΔG کلی منفی شود (خودبخودی). برعکس، برای واکنش‌هایی با تغییر آنتروپی منفی (ΔS < 0)، افزایش دما باعث می‌شود که واکنش کمتر مطلوب شود.

رابطه بین انرژی آزاد گیبز و تعادل چیست؟

در تعادل، ΔG = 0. تغییر انرژی آزاد گیبز استاندارد (ΔG°) با ثابت تعادل (K) از طریق معادله زیر مرتبط است: ΔG° = -RT ln(K)، که در آن R ثابت گاز و T دما به کلوین است.

آیا انرژی آزاد گیبز می‌تواند سرعت واکنش‌ها را پیش‌بینی کند؟

خیر، انرژی آزاد گیبز فقط پیش‌بینی می‌کند که آیا یک واکنش از نظر ترمودینامیکی مطلوب است (خودبخودی)، نه اینکه چقدر سریع انجام خواهد شد. یک واکنش ممکن است بسیار خودبخودی باشد (ΔG بزرگ منفی) اما به آرامی پیش برود به دلیل موانع کینتیکی یا انرژی فعال‌سازی بالا.

چگونه می‌توانم انرژی آزاد گیبز را برای واکنش‌ها در شرایط غیر استاندارد محاسبه کنم؟

برای شرایط غیر استاندارد، می‌توانید از معادله زیر استفاده کنید: ΔG = ΔG° + RT ln(Q)، که در آن Q نسبت واکنش است، R ثابت گاز است و T دما به کلوین است.

واحدهای مورد استفاده برای انرژی آزاد گیبز چیست؟

انرژی آزاد گیبز معمولاً به کیلوژول بر مول (kJ/mol) یا کالری بر مول (cal/mol) بیان می‌شود. در واحدهای SI، این به ژول بر مول (J/mol) خواهد بود.

چه کسی انرژی آزاد گیبز را کشف کرد؟

جوزیا ویلارد گیبز، یک دانشمند آمریکایی، مفهوم انرژی آزاد گیبز را در کار خود "در تعادل مواد ناهمگن" که بین سال‌های 1875 و 1878 منتشر شد، توسعه داد. این کار بنیاد ترمودینامیک شیمیایی را تأسیس کرد.

مراجع

1. آتکینز، پ. و دی‌پائولا، ج. (2014). شیمی فیزیکی آتکینز (ویرایش 10). انتشارات آکسفورد.

2. چانگ، ر. (2019). شیمی فیزیکی برای علوم شیمیایی. انتشارات دانشگاهی.

3. انگل، ت. و رید، پ. (2018). شیمی فیزیکی (ویرایش 4). پیرسون.

4. لوین، آی. ن. (2015). شیمی فیزیکی (ویرایش 6). انتشارات مک‌گرا-هیل.

5. اسمیت، ج. م.، ون نس، ه. سی. و ابوت، م. م. (2017). مقدمه‌ای بر ترمودینامیک مهندسی شیمی (ویرایش 8). انتشارات مک‌گرا-هیل.

6. گیبز، ج. و. (1878). در تعادل مواد ناهمگن. انتقالات آکادمی هنرها و علوم کانکتیکت، 3، 108-248.

7. لوئیس، گ. ن. و رندال، م. (1923). ترمودینامیک و انرژی آزاد مواد شیمیایی. انتشارات مک‌گرا-هیل.

8. IUPAC. (2014). کمپندیم شیمیایی (کتاب طلایی). نسخه 2.3.3. بازیابی شده از http://goldbook.iupac.org/

9. سندلر، س. آی. (2017). ترمودینامیک شیمیایی، بیوشیمیایی و مهندسی (ویرایش 5). وایلی.

10. دنبیگ، ک. (1981). اصول تعادل شیمیایی (ویرایش 4). انتشارات دانشگاه کمبریج.

---

آماده‌اید تا انرژی آزاد گیبز را برای واکنش‌ها یا فرآیندهای شیمیایی خود محاسبه کنید؟ از محاسبه‌گر ما در بالا استفاده کنید تا به سرعت تعیین کنید که آیا واکنش شما تحت شرایط خاص خودبخودی خواهد بود یا خیر. درک انرژی آزاد گیبز کلید پیش‌بینی رفتار شیمیایی و بهینه‌سازی فرآیندها در برنامه‌های شیمی، بیوشیمی و مهندسی است.