חשב את אנרגיה חופשית של גיבס (ΔG) כדי לקבוע את ספונטניות התגובה על ידי הזנת ערכי אנתלפיה (ΔH), טמפרטורה (T) ואנתרופיה (ΔS). חיוני לכימיה, ביוכימיה ויישומים תרמודינמיים.
ΔG = ΔH - TΔS
כאשר ΔG היא אנרגיה חופשית של גיבס, ΔH היא אנתלפיה, T היא טמפרטורה, ו-ΔS היא אנטרופיה
אנרגיה חופשית של גיבס היא תכונה תרמודינמית בסיסית שחוזה האם תגובות כימיות ותהליכים פיזיקליים יתרחשו באופן ספונטני. מחשבון אנרגיה חופשית של גיבס חינמי זה עוזר למדענים, מהנדסים וסטודנטים לקבוע במהירות את אפשרות התגובה באמצעות הנוסחה המוכחת ΔG = ΔH - TΔS.
המחשב נקרא על שמו של הפיזיקאי האמריקאי ג'וסיה וילארד גיבס, פוטנציאל תרמודינמי זה משלב אנתלפיה (תוכן חום) ואנטרופיה (אי סדר) כדי לספק ערך יחיד שמעיד האם תהליך יתקדם באופן טבעי ללא קלט אנרגיה חיצוני. המחשבון שלנו מספק תוצאות מדויקות ומיידיות לחישובים תרמודינמיים בכימיה, ביוכימיה, מדעי החומרים ויישומים הנדסיים.
יתרונות מרכזיים של שימוש במחשבון אנרגיה חופשית של גיבס שלנו:
שינוי אנרגיה חופשית של גיבס (ΔG) מחושב באמצעות המשוואה הבאה:
איפה:
משוואה זו מייצגת את האיזון בין שני גורמים תרמודינמיים בסיסיים:
הסימן של ΔG מספק מידע קרדינלי על ספונטניות התגובה:
חשוב לציין שספונטניות אינה בהכרח מעידה על מהירות התגובה—תגובה ספונטנית עשויה להתקדם מאוד לאט ללא קטליזטור.
שינוי אנרגיה חופשית של גיבס סטנדרטית (ΔG°) מתייחס לשינוי האנרגיה כאשר כל הריאגנטים והמוצרים נמצאים במצבים הסטנדרטיים שלהם (בדרך כלל בלחץ של 1 אטמוספירה, ריכוז של 1 מולה עבור פתרונות, ולעיתים קרובות ב-298.15 קלווין או 25°C). המשוואה הופכת ל:
איפה ΔH° ו-ΔS° הם השינויים הסטנדרטיים של אנתלפיה ואנטרופיה, בהתאמה.
מחשבון אנרגיה חופשית של גיבס שלנו מיועד לפשטות ולנוחות שימוש. עקוב אחרי הצעדים הבאים כדי לחשב את שינוי האנרגיה החופשית של גיבס עבור התגובה או התהליך שלך:
הזן את שינוי האנרגיה (ΔH) בקילוג'ולים למול (kJ/mol)
הזן את הטמפרטורה (T) בקלווין
הזן את שינוי האנטרופיה (ΔS) בקילוג'ולים למול-קלווין (kJ/(mol·K))
צפה בתוצאה
המחשבון מבצע את הבדיקות הבאות על קלטי המשתמש:
אם קלטים לא תקינים מזוהים, תוצג הודעת שגיאה, והחישוב לא יתקדם עד לתיקון.
בואו נעבור על דוגמה מעשית כדי להדגים כיצד להשתמש במחשבון אנרגיה חופשית של גיבס:
דוגמה: חשב את שינוי האנרגיה החופשית של גיבס עבור תגובה עם ΔH = -92.4 kJ/mol ו-ΔS = 0.0987 kJ/(mol·K) ב-298 K.
הזן ΔH = -92.4 kJ/mol
הזן T = 298 K
הזן ΔS = 0.0987 kJ/(mol·K)
המחשבון מבצע את החישוב: 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
פרשנות: מכיוון ש-ΔG הוא שלילי (-121.81 kJ/mol), התגובה הזו היא ספונטנית ב-298 K.
חישובי אנרגיה חופשית של גיבס חיוניים במספר יישומים מדעיים והנדסיים:
כימאים משתמשים באנרגיה חופשית של גיבס כדי לחזות האם תגובה תתרחש באופן ספונטני בתנאים נתונים. זה עוזר ב:
בביוכימיה ובביולוגיה מולקולרית, אנרגיה חופשית של גיבס עוזרת להבין:
מדעני חומרים ומהנדסים משתמשים בחישובי אנרגיה חופשית של גיבס עבור:
יישומים סביבתיים כוללים:
בהגדרות תעשייתיות, חישובי אנרגיה חופשית של גיבס עוזרים לאופטימיזציה של:
בעוד שאנרגיה חופשית של גיבס היא כלי תרמודינמי חזק, פרמטרים קשורים אחרים עשויים להיות מתאימים יותר במצבים מסוימים:
מוגדרת כ-A = U - TS (כאשר U היא אנרגיה פנימית), אנרגיה חופשית של הלמהולץ מתאימה יותר למערכות בלחץ קבוע ולא בנפח קבוע. זה שימושי במיוחד ב:
עבור תהליכים שבהם רק חילופי חום חשובים והשפעות אנטרופיה זניחות, אנתלפיה (H = U + PV) עשויה להיות מספקת. זה משמש לעיתים קרובות ב:
כאשר מתמקדים אך ורק באי סדר ובסבירות, אנטרופיה לבדה עשויה להיות הפרמטר המעניין, במיוחד ב:
עבור מערכות עם הרכב משתנה, פוטנציאל כימי (אנרגיה חופשית של גיבס חלקית) הופך להיות חשוב ב:
המושג של אנרגיה חופשית של גיבס יש היסטוריה עשירה בפיתוח התרמודינמיקה:
ג'וסיה וילארד גיבס (1839-1903), מדען ומתמטיקאי אמריקאי, הציג לראשונה את המושג בעבודתו פורצת הדרך "על שווי המשקל של חומרים הטרוגניים," שפורסמה בין 1875 ל-1878. עבודה זו נחשבת לאחת מההישגים הגדולים במדע הפיזי של המאה ה-19, שהקנתה את היסודות של תרמודינמיקה כימית.
גיבס פיתח את הפוטנציאל התרמודינמי הזה תוך כדי ניסיון להבין את התנאים לשווי משקל במערכות כימיות. הוא הכיר בכך שבטמפרטורה ולחץ קבועים, כיוון השינוי הספונטני יכול להיות מנובא על ידי פונקציה אחת שמשלבת את השפעות האנתלפיה והאנטרופיה.
עבודתו של גיבס בתחילה לא זכתה לתשומת לב רבה בארצות הברית אך הייתה מוערכת מאוד באירופה, במיוחד לאחר שתורגמה לגרמנית על ידי וילהלם אוסטוולד. כיום, אנרגיה חופשית של גיבס היא מושג מרכזי בכימיה פיזיקלית, הנדסה כימית, מדעי חומרים וביוכימיה. היכולת לחזות ספונטניות תגובה ומיקומי שווי משקל באמצעות חישובי אנרגיה חופשית של גיבס אפשרה אינספור התקדמויות מדעיות וחדשנות טכנולוגית.
הנה דוגמאות כיצד לחשב אנרגיה חופשית של גיבס בשפות תכנות שונות:
1' נוסחת Excel עבור אנרגיה חופשית של גיבס
2=B2-(C2*D2)
3
4' כאשר:
5' B2 מכיל שינוי אנתלפיה (ΔH) בקילוג'ולים למול
6' C2 מכיל טמפרטורה (T) בקלווין
7' D2 מכיל שינוי אנטרופיה (ΔS) בקילוג'ולים/(mol·K)
81def calculate_gibbs_free_energy(enthalpy, temperature, entropy):
2 """
3 חשב את שינוי אנרגיה חופשית של גיבס
4
5 פרמטרים:
6 enthalpy (float): שינוי אנתלפיה בקילוג'ולים למול
7 temperature (float): טמפרטורה בקלווין
8 entropy (float): שינוי אנטרופיה בקילוג'ולים/(mol·K)
9
10 מחזיר:
11 float: שינוי אנרגיה חופשית של גיבס בקילוג'ולים למול
12 """
13 gibbs_energy = enthalpy - (temperature * entropy)
14 return gibbs_energy
15
16# דוגמת שימוש
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"שינוי אנרגיה חופשית של גיבס: {delta_g:.2f} kJ/mol")
23
24# קביעת ספונטניות
25if delta_g < 0:
26 print("התגובה היא ספונטנית.")
27elif delta_g > 0:
28 print("התגובה היא לא ספונטנית.")
29else:
30 print("התגובה נמצאת בשווי משקל.")
31function calculateGibbsFreeEnergy(enthalpy, temperature, entropy) { // חשב את שינוי אנרגיה חופשית של גיבס // enthalpy: kJ/mol // temperature: קלווין // entropy: kJ/(mol·K) const gibbsEnergy = enthalpy - (temperature * entropy); return gibbsEnergy; } // דוגמת שימוש const deltaH = -92.4; // kJ/mol const temp = 298.15; // K const deltaS = 0.0987; // kJ/(mol·K) const deltaG = calculateGibbsFreeEnergy(deltaH, temp, deltaS); console.log(`שינוי אנרגיה חופשית של גיבס
גלה עוד כלים שעשויים להיות שימושיים עבור זרימת העבודה שלך