Gibbs Free Energy는 무엇입니까? 방정식은 무엇입니까?

종종, 방을 청소 한 후 며칠 안에 다시 혼란스러워하는 것을 관찰합니다. 왜 방은 항상 정렬되어야합니까?

다음에 엄마가 이것에 대해 강의 할 때, 아마도 엔트로피와 깁스 자유 에너지에 대해 말할 수 있습니다!

어수선한 물체의 엔트로피는 순서 대상 객체의 엔트로피 이상입니다. 모든 과정이나 반응의 자발성은 항상 더 높은 엔트로피로 이동하고 있습니다.

그럼에도 불구하고, 당신은 당신의 무의미한 혼란에 대한 새로운 변명을 가지고 있습니다.

엔트로피는 시스템 내에서 장애 또는 무작위성의 척도입니다.

자유 에너지

미국 수학자이자 물리학자인 Josiah Williard Gibbs는 자유 에너지의 개념을 개발했습니다. 그에 의해 제안 된 자유 에너지의 방법은 현재 깁스 자유 에너지로 널리 알려져 있습니다. 1873 년, 그의 출판물“유체의 열역학에 대한 그래픽 방법”은 다양한 시스템을 이해하기 위해 더 간단한 형태의 표현을 도입했습니다.

당시 그는이 자유 에너지를 에너지/가용 에너지 (ε)라고 불렀으며 결국 깁스 자유 에너지로 인기를 얻었습니다.

Josiah Willard Gibbs의 미국에서 인쇄 된 우편 스탬프 (사진 크레디트 :Catwalker/Shutterstock)

열역학의 매개 변수

열역학에서, 우리는 물질 자체의 조성 또는 원자/분자 구조에 대한 세부 사항을 얻지 않고 시스템의 행동을 이해할 수 있습니다. 볼륨, 압력, 온도, 엔탈피, 엔트로피, 작업 완료 및 Gibbs 자유 에너지와 같은 매개 변수/기능이있는 시스템을 이해합니다. 따라서 열역학은 주어진 시스템의 특성을 물리적 및 화학적 과정 측면에서 동작과 관련시킵니다.

또한 시스템의 평형 상태와 관련이 있습니다. 평형 상태에서, 온도, 밀도 및 화학적 조성과 같은 시스템의 거시적 특성은 잘 정의되고 시간 불변입니다. 열역학은 시스템이 해당 최종 상태에 도달하기 위해 필요한 경로보다는 시스템을 한 상태에서 다른 상태로 전환하는 것에만 관심이 있습니다. 또한, 압력, 부피 및 온도 (매개 변수)는 시스템의 동작을 이해합니다. 이 매개 변수는 경로 독립적이며 상태 기능이라고합니다.

쇼핑몰 3 층에있는 푸드 코트에 가려면 에스컬레이터 나 엘리베이터를 가져갈 수 있습니다. 두 길 모두 우리를 푸드 코트로 데려갑니다. 이 예제는 "경로 독립적"이므로 상태 기능에 대한 비유입니다.

흑연과 다이아몬드는 탄소 원자로 만들어졌지만 구조는 완전히 다르므로 엔트로피가 다양합니다. (사진 크레디트 :nasky/shutterstock)

열역학을 통해 연구중인 시스템에 대해 추론하려고 할 때는 일과 열에 대한 표현을 얻는 것이 중요합니다.

작업 및 열

작업은 시스템과 주변 환경 사이의 기계적 연결로 전달 된 에너지로 묘사됩니다. 경로 의존적이며 상태 기능이 아닙니다. 가상 시스템을 연구하는 것이 유용하지만 실제 세계에는 시스템과 주변 환경 사이에 에너지가 전달되는 또 다른 방법이 있습니다. 이 에너지 전달은 시스템과 주변 환경 간의 온도 차이로 인해 열이라고합니다. 열은 더 높은 온도의 매체에서 더 낮은 온도의 매체로 전달됩니다.

모든 프로세스의 자발성의 예. 얼음의 용융은 실온에서 얼음의 형성보다 더 자발적이다.

열역학에는 세 가지 법칙이 있습니다. 첫 번째 법은 에너지 보존의 원칙입니다.”에너지는 창조되거나 파괴 될 수 없지만 한 형태에서 다른 형태로 전환 될 수 있습니다.”

우주의 에너지는 항상 일정합니다

제 1 법칙의 수학적 표현

열 흡수 =내부 에너지 증가 + 시스템에 의해 수행 된 작업

시스템에 의해 수행 된 작업은 부정적이며 '–w'로 표현되며 시스템에서 수행 된 작업은 긍정적이며 '+W'로 표현됩니다.

내부 에너지는 시스템의 모든 입자의 운동 및 잠재적 에너지의 합입니다.

때로는 일정한 압력 조건에서 시스템을 다루는 경우 시스템의 내부 에너지 대신 시스템의 엔탈피를 사용하는 관행이 있습니다.

엔탈피와 내부 에너지 사이의 수학적 관계

시스템에 저장된 총 에너지 (엔탈피) =내부 에너지 + 압력 및 부피의 제품

압력 (p)이 일정 할 때.

이것은 열역학의 제 2 법칙이며, 첫 번째 법의 한계 인 특정 시스템의 자발성 또는 타당성의 개념을 고려합니다. 이 법은 엔트로피의 개념을 소개하고 시스템의 모든 비평 형 상태가 평형 상태로 전환되었다고 말합니다. 결국 자연스럽게.

얼음의 용융 및 형성 과정에서 열역학 제 2 차 법칙의 그림

엔트로피

엔트로피는 상태 기능이며 시스템과 주변의 엔트로피의 변화는 시스템이나 반응에 관한 중요한 결론을 제공합니다.

우주에는 긍정적 인 엔트로피가있어 우주의 엔트로피가 증가하고 있음을 의미합니다.

돌이킬 수 없거나 자발적인 프로세스에서 : 즉, 엔트로피는 양수입니다.

가역적 인 과정에서는 . 그리고 언제, 우리는 그러한 우주 나 시스템이 비 임신으로 간주됩니다.

세 번째 법은 제로 법으로도 알려져 있습니다. 시스템의 엔트로피는 시스템이 절대 온도 (0 k)에 접근함에 따라 0이라고 말합니다.

깁스 자유 에너지

열역학 제 2 법칙에서 우리는 시스템/프로세스의 자발성과 타당성을 추론하고 이해할 수 있습니다. 그러나 주변의 엔트로피를 얻는 것이 어려워집니다. 따라서, 엔트로피를 공정의 자발성에 대한 유일한 기준으로 고려하는 것은 그다지 편리하지 않습니다. 1873 년에 Gibbs가 출판 한 논문은 대안적이고 간단한 기준을 설명했습니다. 이것은 자유 에너지 (G)라는 또 다른 열역학적 함수를 도입하여 수행되었습니다. 시스템의 자유 에너지의 변화는 프로세스의 자발성을 결정하는 기준 일 수 있으며 주변 환경의 자유 에너지를 고려할 필요는 없습니다.

언제 , 시스템은 자발적이거나 제품을 선호하는 프로세스뿐만 아니라 비가 역적 프로세스입니다. 반면에 , 시스템은 평형 상태에 있으며 가역적 프로세스입니다. 어디에서 , 그러한 시스템은 비 초정 프로세스입니다.

곡선은 다양한 화학 반응에 대한 깁스 자유 에너지의 변화를 보여줍니다 (사진 크레디트 :Magnetix/Shutterstock)

그러나 실제로이 유용한 작업은 항상 최대 작업보다 작으므로 일부 엔트로피가 생성됩니다.

시스템이 평형 상태에 도달하면 외부 작업을 수행 할 수있는 능력을 상실합니다. 시스템의 자유 에너지는 초기 상태 에너지와 평형 상태 에너지의 차이이기 때문에 작업을 수행 할 수있는 에너지입니다. 평형 상태 에너지는 '이용 불가능한 에너지'라고하며 온도와 엔트로피의 산물로 수학적으로 표현됩니다.

Gibbs Free Energy의 수학적 형태

, 일정한 온도와 압력

그리고 반응이 진행됨 :

시스템이 최대 엔트로피 상태를 얻는 경우 ( ) 및 최소 깁스 자유 에너지 ( ), 시스템이 평형 상태에 도달했습니다. 따라서, 우리는 열과 엔트로피의 변화가 Gibbs 자유 에너지에 영향을 미치는 두 가지 요인이며, 물리적 또는 화학적 변화의 자발성

깁스 자유 에너지를 기반으로 한 화학 반응 범주

다른 온도에서 깁스 자유 에너지 값을 기준으로 4 가지 부류의 반응

Gibbs 자유 에너지의 변화를 알면 프로세스의 자발성을 예측할 수 있습니다. 프로세스는 다른 깁스 자유 에너지를 가지며 온도에 따른 변화에 따라 4 가지 부류의 반응으로 분류합니다.

클래스 1 반응은 모든 온도에서 자발적이거나 제품이 선호됩니다. 클래스 2 및 3 가지 유형의 반응에서, 전방 반응의 자발성은 온도에 의존한다. 클래스 2에서, 반응은 더 낮은 온도에서 제품을 선호하는 반면, 클래스 3에서는 제품을 향한 반응이 더 높은 온도에있다. 클래스 4 유형 반응은 반응물을 선호하며 모든 온도에 대해 비전문입니다.

따라서 Gibbs Free Energy 방정식은 모든 공정이 평형에 도달하는 온도를 추정하는 데 도움이됩니다.