حاسبة الطاقة الحرة لجيبس للتفاعلات الديناميكية الحرارية

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.

حاسبة الطاقة الحرة لجيبس

ΔG = ΔH - TΔS

حيث ΔG هي الطاقة الحرة لجيبس، ΔH هي الإنثالبي، T هي درجة الحرارة، و ΔS هي الإنتروبيا

تغير الإنثالبي (ΔH) *

kJ/mol

درجة الحرارة (T) *

تغير الإنتروبيا (ΔS) *

kJ/(mol·K)

يتم حساب النتائج تلقائيًا أثناء إدخال القيم

📚

التوثيق

حاسبة الطاقة الحرة لجيبس: تحديد تلقائية التفاعل بدقة

ما هي الطاقة الحرة لجيبس؟

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:

تحديد تلقائية التفاعل على الفور (تلقائي مقابل غير تلقائي)
التنبؤ بظروف التوازن الكيميائي
تحسين درجات حرارة وظروف التفاعل
دعم البحث في الديناميكا الحرارية والكيمياء الفيزيائية
حسابات مجانية ودقيقة مع شروحات خطوة بخطوة

صيغة الطاقة الحرة لجيبس

تُحسب تغير الطاقة الحرة لجيبس (ΔG) باستخدام المعادلة التالية:

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

حيث:

ΔG = تغير الطاقة الحرة لجيبس (kJ/mol)
ΔH = تغير الإنثالبي (kJ/mol)
T = درجة الحرارة (كلفن)
ΔS = تغير الإنتروبيا (kJ/(mol·K))

تمثل هذه المعادلة التوازن بين عاملين حراريين أساسيين:

تغير الإنثالبي (ΔH): يمثل تبادل الحرارة خلال عملية عند ضغط ثابت
تغير الإنتروبيا (ΔS): يمثل التغير في فوضى النظام، مضروبًا في درجة الحرارة

تفسير النتائج

يوفر إشارة ΔG معلومات حاسمة حول تلقائية التفاعل:

ΔG < 0 (سالب): العملية تلقائية (إكزيرغونيك) ويمكن أن تحدث دون إدخال طاقة خارجية
ΔG = 0: النظام في توازن دون تغيير صافي
ΔG > 0 (موجب): العملية غير تلقائية (أنديرغونيك) وتتطلب إدخال طاقة للمضي قدمًا

من المهم ملاحظة أن التلقائية لا تشير بالضرورة إلى سرعة التفاعل - فقد يستمر التفاعل التلقائي ببطء شديد دون وجود محفز.

الطاقة الحرة لجيبس القياسية

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:

$\Delta G° = \Delta H° - T\Delta S°$

حيث ΔH° و ΔS° هما تغيرات الإنثالبي والإنتروبيا القياسية، على التوالي.

كيفية استخدام حاسبة الطاقة الحرة لجيبس هذه

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)
- تمثل هذه القيمة الحرارة الممتصة أو المنبعثة خلال التفاعل عند ضغط ثابت
- تشير القيم الموجبة إلى العمليات الماصة للحرارة (الحرارة الممتصة)
- تشير القيم السالبة إلى العمليات المنبعثة للحرارة (الحرارة المنبعثة)
أدخل درجة الحرارة (T) بالكلفن
- تذكر تحويل من السلسيوس إذا لزم الأمر (K = °C + 273.15)
- درجة الحرارة القياسية عادةً 298.15 K (25°C)
أدخل تغير الإنتروبيا (ΔS) بالكيلوجول لكل مول-كلفن (kJ/(mol·K))
- تمثل هذه القيمة التغير في الفوضى أو العشوائية
- تشير القيم الموجبة إلى زيادة الفوضى
- تشير القيم السالبة إلى انخفاض الفوضى
عرض النتيجة
- ستحسب الحاسبة تلقائيًا تغير الطاقة الحرة لجيبس (ΔG)
- ستظهر النتيجة بالكيلوجول لكل مول
- سيتم تقديم تفسير لما إذا كانت العملية تلقائية أو غير تلقائية

التحقق من المدخلات

تقوم الحاسبة بإجراء الفحوصات التالية على مدخلات المستخدم:

يجب أن تكون جميع القيم عددية
يجب أن تكون درجة الحرارة بالكلفن وإيجابية (T > 0)
يمكن أن تكون الإنثالبي والإنتروبيا إيجابية أو سالبة أو صفر

إذا تم اكتشاف مدخلات غير صالحة، سيتم عرض رسالة خطأ، ولن تستمر الحسابات حتى يتم تصحيحها.

مثال على حساب الطاقة الحرة لجيبس

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.

التطبيقات العملية للطاقة الحرة لجيبس

تعتبر حسابات الطاقة الحرة لجيبس ضرورية في العديد من التطبيقات العلمية والهندسية:

1. جدوى التفاعل الكيميائي

يستخدم الكيميائيون الطاقة الحرة لجيبس للتنبؤ بما إذا كان التفاعل سيحدث تلقائيًا تحت ظروف معينة. يساعد ذلك في:

تصميم مسارات تركيبية لمركبات جديدة
تحسين ظروف التفاعل لزيادة العوائد
فهم آليات التفاعل والوسائط
التنبؤ بتوزيعات المنتجات في التفاعلات المتنافسة

2. العمليات الحيوية

في الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي، تساعد الطاقة الحرة لجيبس في فهم:

المسارات الأيضية وتحولات الطاقة
طي البروتين واستقراره
التفاعلات المحفزة بالإنزيمات
عمليات نقل الأغشية الخلوية
تفاعلات الحمض النووي والحمض النووي الريبي

3. علوم المواد

يستخدم علماء المواد والمهندسون حسابات الطاقة الحرة لجيبس في:

تطوير مخططات الطور
تصميم و تحسين السبائك
التنبؤ بسلوك التآكل
فهم التفاعلات في الحالة الصلبة
تصميم مواد جديدة بخصائص محددة

4. العلوم البيئية

تشمل التطبيقات البيئية:

التنبؤ بنقل الملوثات ومصيرها
فهم العمليات الجيوكيميائية
نمذجة التفاعلات الجوية
تصميم استراتيجيات الترميم
دراسة آليات تغير المناخ

5. العمليات الصناعية

في البيئات الصناعية، تساعد حسابات الطاقة الحرة لجيبس في تحسين:

عمليات تصنيع المواد الكيميائية
عمليات تكرير النفط
إنتاج الأدوية
تقنيات معالجة الطعام
أنظمة توليد الطاقة

البدائل

بينما تعتبر الطاقة الحرة لجيبس أداة حرارية قوية، قد تكون بعض المعلمات ذات الصلة أكثر ملاءمة في بعض الحالات:

1. الطاقة الحرة هيلمهولتز (A أو F)

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:

الميكانيكا الإحصائية
فيزياء الحالة الصلبة
الأنظمة التي يكون فيها الحجم مقيدًا

2. الإنثالبي (H)

بالنسبة للعمليات التي تهم فيها تبادل الحرارة فقط وتأثيرات الإنتروبيا غير ملحوظة، قد يكون الإنثالبي (H = U + PV) كافيًا. غالبًا ما يستخدم في:

حسابات الاحتراق البسيطة
عمليات التسخين والتبريد
تجارب الحرارة

3. الإنتروبيا (S)

عند التركيز فقط على الفوضى والاحتمالية، قد تكون الإنتروبيا وحدها هي المعلمة ذات الاهتمام، خاصة في:

نظرية المعلومات
التحليل الإحصائي
دراسات عدم القابلية للعكس
حسابات كفاءة محركات الحرارة

4. الجهد الكيميائي (μ)

بالنسبة للأنظمة ذات التركيب المتغير، يصبح الجهد الكيميائي (الطاقة الحرة لجيبس الجزئية) مهمًا في:

توازن الطور
كيمياء المحاليل
الأنظمة الكهروكيميائية
نقل الأغشية

تاريخ الطاقة الحرة لجيبس

لدى مفهوم الطاقة الحرة لجيبس تاريخ غني في تطوير الديناميكا الحرارية:

الأصول والتطوير

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.

المعالم التاريخية الرئيسية

1873: يبدأ جيبس نشر أعماله حول الأنظمة الحرارية
1875-1878: نشر "عن توازن المواد غير المتجانسة" الذي يقدم مفهوم الطاقة الحرة لجيبس
1882-1883: يستنتج الفيزيائي الألماني هيرمان فون هيلمهولتز علاقات مشابهة بشكل مستقل
أوائل القرن العشرين: يقوم غيلبرت ن. لويس وميرل راندال بتوحيد تدوين الديناميكا الحرارية الكيميائية وتطبيقاتها
1923: ينشر لويس وراندال "الديناميكا الحرارية والطاقة الحرة للمواد الكيميائية"، مما يروج لاستخدام الطاقة الحرة لجيبس في الكيمياء
1933: يقدم إدوارد أ. غوغنهايم التدوين والمصطلحات الحديثة المستخدمة حتى اليوم
منتصف القرن العشرين: دمج مفاهيم الطاقة الحرة لجيبس مع الميكانيكا الإحصائية ونظرية الكم
أواخر القرن العشرين: تمكين الطرق الحسابية من إجراء حسابات الطاقة الحرة لجيبس المعقدة للأنظمة الحقيقية

التأثير والإرث

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.

أمثلة على الشيفرات

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)
8

1def 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.")
31

1function 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}
27

1public 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}
32

1#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

🔗

الأدوات ذات الصلة

اكتشف المزيد من الأدوات التي قد تكون مفيدة لسير عملك