Направление процессов

3.1.5. Энергия Гиббса, направленность процессов

Самопроизвольное протекание химических процессов определяется двумя факторами:

– стремлением к образованию прочных связей между частицами, более сложных веществ, сопровождающимся уменьшением внутренней энергии системы. Эта тенденция в изобарно-изотермических условиях характеризуется энтальпийным (энергетическим) фактором и количественно выражается:

– стремлением к разъединению частиц, к беспорядку, характеризуемым возрастанием энтропии. Тенденция количественно выражается: (с учетом абсолютной температуры процесса – ).

Для изобарно-изотермического процесса оба фактора самопроизвольного протекания реакции объединяет функция: – энергия Гиббса (изобарно-изотермический потенциал или свободная энергия системы).

Формула Гиббса: . (32)

Если система переходит из одного состояния в другое, то:

(33)

Формула (33) представляет математическое выражение второго закона термодинамики (см. п. 3.1.4). Зависимостью и от температуры в расчетах часто пренебрегают.

Уравнение (33) можно записать в виде:

(34)

Согласно формуле (34) энтальпия химической реакции вклю­чает две составляющие: энергию Гиббса , т. е. часть энергетиче­ского эффекта процесса, которую можно превратить в работу (свобод­ная энергия системы), и энтропийную составляющую – часть энергетического эффекта, которая не превращается в работу, а рассеи­вается в окружающую среду в виде теплоты (связанная энергия сис­темы).

Следовательно, изменение свободной энергии системы – это общая движущая сила химического. процесса, протекающего в изобарно-изотермических условиях, учитывающая влияние на процесс как энтальпийного, так и энтропийного фактора.

Энергия Гиббса – это критерий самопроизвольного протекания химической реакции:

– < 0 – условие самопроизвольного протекания процесса в прямом направлении;

– > 0 – процесс при данных условиях невозможен;

– = 0 – состояние химического равновесия.

Частные случаи протекания процесса:

1) химические реакции протекают при низких температурах, тогда | | >> | |, ≈ . Следовательно, при низких температурах критерием направления процесса является тепловой эф­фект реакции. Самопроизвольно протекают экзотермические про­цессы, сопровождающиеся уменьшением внутренней энергии системы ( < 0) и уменьшением энтальпии системы ( < 0), < 0;

2) химические реакции протекают при высоких температурах, тогда | | << | |, ≈ – . Следовательно, при высоких температурах критерием направления процесса является знак измене­ния энтропии процесса. Самопроизвольно протекают процессы в сто­рону возрастания энтропии: > 0, < 0;

3) при некоторой температуре | | ≈ | |, = 0, система на­ходится в состоянии химического равновесия.

В случае если процесс протекает в стандартных условиях, можно рассчитать по следствию из закона Гесса:

(35)

, [кДж/моль], определяют по таблице термодинамических констант (см. приложение, табл. 6). = 0.

20)Самопроизвольные процессы