吉布斯能量定义

吉布斯自由能，也称为吉布斯能量，是热力学中的一个重要概念。它以美国科学家约西亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）的名字命名，他在 19 世纪末发展了这一概念。吉布斯自由能用于描述化学反应和其他物理过程的自发性和方向。

一个系统的吉布斯自由能定义为可用于做有用功的能量量。它通过从焓变中减去系统绝对温度与熵变之积来计算。得到的数值称为吉布斯自由能或吉布斯能量。吉布斯自由能是一个状态函数，这意味着它的值仅取决于系统的当前状态，而与系统如何到达该状态无关。这使其成为预测系统在不同条件下行为的有用工具。

一个系统的吉布斯自由能与热力学第二定律密切相关，该定律指出封闭系统的总熵随时间总是增加的。如果系统的吉布斯自由能变化为负值，则该过程在热力学上是有利的，并且会自发发生。如果吉布斯自由能变化为正值，则该过程不利，不会自发发生。

吉布斯自由能最重要的应用之一是预测化学反应的方向。反应的吉布斯自由能变化是通过从产物的吉布斯自由能中减去反应物的吉布斯自由能来计算的。如果吉布斯自由能变化为负值，则反应在热力学上是有利的，并将在正方向自发进行。如果吉布斯自由能变化为正值，则反应不利，将在反方向自发进行。

反应的吉布斯自由能也可用于计算反应的平衡常数。平衡常数是衡量反应在平衡时向正方向进行的程度的度量。它通过将产物浓度提高到其化学计量系数，然后除以反应物浓度提高到其化学计量系数来计算，其中每个浓度项都提高到反应中涉及的分子数量的幂。

平衡常数与反应的吉布斯自由能变化的关系为

ΔG = -RTlnK

其中 R 是气体常数，

T 是绝对温度，

ln 是自然对数。

吉布斯自由能还用于预测物质发生相变的条件。相变的吉布斯自由能变化与两个相的吉布斯自由能之差有关。如果吉布斯自由能变化为负值，则相变在热力学上是有利的，并将自发发生。如果吉布斯自由能变化为正值，则相变不利，不会自发发生。

吉布斯自由能的另一个重要应用是在电化学中。电化学反应的吉布斯自由能变化与反应的电动势（EMF）有关。电动势是构成整个反应的两个半反应之间的电势差的度量。反应的吉布斯自由能变化与电动势的关系为 ΔG = -nFE，其中 n 是反应中转移的电子数，F 是法拉第常数。

吉布斯自由能方程

吉布斯自由能（也称为吉布斯能量）的方程是热力学中的一个重要方程。它用于确定在恒定温度和压力下可以从系统中提取的最大功量。吉布斯自由能的方程为：

ΔG = ΔH - TΔS

其中

ΔG = 吉布斯自由能变化

ΔH = 焓变

ΔS = 熵变

T = 以开尔文为单位的温度

吉布斯自由能的方程是另外两个热力学方程的组合，即焓的方程和熵的方程。焓变 ΔH 是在恒定压力下，在过程中传递到系统或从系统中移出的热量的度量。熵变 ΔS 是系统无序或随机程度的度量。温度 T 以开尔文为单位测量，是系统中粒子平均动能的度量。吉布斯自由能方程可用于确定反应的自发性。如果吉布斯自由能为负值，则反应是自发的。如果吉布斯自由能为正值，则反应是非自发的。如果吉布斯自由能为零，则反应处于平衡状态。

吉布斯自由能的方程还可以用于预测反应的方向。如果吉布斯自由能为负值，则反应将沿正方向进行。如果吉布斯自由能为正值，则反应将沿反方向进行。如果吉布斯自由能为零，则反应处于平衡状态。除了预测反应的自发性和方向外，吉布斯自由能方程还可以用于确定在恒定温度和压力下可以从系统中提取的最大功量。这个最大功量称为最大非膨胀功，它等于系统的吉布斯自由能变化。

吉布斯自由能方程可应用于广泛的系统，包括化学反应、相变和电化学反应。在化学反应的情况下，吉布斯自由能变化是反应可获得的功的最大量的度量。在相变的情况下，吉布斯自由能变化是驱动转变的力的度量。在电化学反应的情况下，吉布斯自由能变化是反应可获得的电功的最大量的度量。重要的是要注意，吉布斯自由能方程仅对恒定温度和压力的系统有效。如果系统的温度或压力发生变化，则必须修改吉布斯自由能方程以考虑到这些变化。

吉布斯自由能的用途

吉布斯自由能（也称为吉布斯能量或吉布斯函数）是一种热力学量，在确定化学反应在特定条件下是否会自发发生方面起着至关重要的作用。它是恒定温度和压力下系统可获得的功的最大量的度量。吉布斯自由能用数学公式表示为 G = H - TS，其中 H 是系统的焓（热含量），T 是温度，S 是系统的熵（无序度）。

吉布斯自由能在化学、物理和工程学中有许多重要应用。在本文中，我们将讨论吉布斯自由能的一些最常见用途：

• 确定化学反应的自发性：吉布斯自由能最基本的用途之一是确定化学反应在特定条件下是否会自发发生。如果反应的吉布斯自由能变化 (ΔG) 为负值，则反应是自发的，并将沿正方向进行。反之，如果 ΔG 为正值，则反应是非自发的，必须提供能量才能驱动反应沿正方向进行。如果 ΔG 为零，则反应处于平衡状态，反应物和产物的浓度保持恒定。
• 预测平衡常数：吉布斯自由能的另一个用途是预测化学反应的平衡常数 (K)。平衡常数是衡量反应在平衡条件下向产物进行的程度的度量。吉布斯自由能变化与平衡常数的关系由方程 ΔG° = -RT ln K 给出，其中 R 是气体常数，T 是温度，ΔG° 是反应的标准吉布斯自由能变化。通过测量反应的标准吉布斯自由能变化并将其代入此方程，我们可以计算反应的平衡常数。
• 估算系统可获得的最大功：吉布斯自由能的另一个重要用途是估算系统可获得的最大功。系统可获得的最大功等于系统的吉布斯自由能变化，即 ΔGmax = ΔGfinal - ΔGinitial。如果系统在恒定温度和压力下，则 ΔGmax 等于系统可获得的最大非膨胀功。此信息在设计发动机和其他将能量从一种形式转换为另一种形式的热力学系统时很有用。
• 理解相变：吉布斯自由能也有助于理解相变，例如熔化、沸腾和凝结。在相变期间，系统的吉布斯自由能发生变化，该过程由自由能的减少驱动。例如，当固体熔化时，系统的吉布斯自由能减小，只要温度和压力保持恒定，该过程就是自发的。通过计算相变的吉布斯自由能变化，我们可以预测该转变是否会自发发生。
• 设计化学过程：在化学工程领域，吉布斯自由能用于设计高效且经济的化学过程。通过计算化学反应的吉布斯自由能变化，工程师可以确定将反应驱动到所需方向所需的最小能量。此信息在设计用于制造化学品、燃料和其他产品的化学反应器和其他工艺设备时非常有用。