Գիբսի էներգիա

Գիբսի էներգիայի դասական սահմանումը

${\displaystyle G=U+PV-TS,}$ 

արտահայտությունն է, որտեղ ${\displaystyle U}$ -ն ներքին էներգիան է, ${\displaystyle P}$ -ն՝ ճնշումը, ${\displaystyle V}$ -ն՝ ծավալը, ${\displaystyle T}$ -ն՝ բացարձակ ջերմաստիճանը, ${\displaystyle S}$ -ը՝ էնտրոպիան։

Հաստատուն թվով մասնիկներով համակարգի համար Գիբսի էներգիայի դիֆերենցիալը, արտահայտված սեփական փոփոխականներով՝ p ճնշումով և T ջերմաստիճանով, կլինի՝

${\displaystyle dG=-S\,dT+V\,dP}$ ։

Փոփոխական թվով մասնիկներից կազմված համակարգի համար այս դիֆերենցիալը գրվում է որպես

${\displaystyle dG=-S\,dT+V\,dP+\mu \,dN}$ ,

որտեղ ${\displaystyle \mu }$ -ն քիմիական պոտենցիալն է, որը կարելի է սահմանել որպես համակարգին մեկ մասնիկ ավելացնելու համար անհրաժեշտ էներգիան։

Գիբսի պոտենցիալի նվազագույն արժեքը համապատասխանում է ֆիքսված ջերմաստիճանով, ճնշումով և մասնիկների թվով թերմոդինամիկական համակարգի կայուն հավասարակշռության վիճակին։

Գրելով թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ սկզբունքների ընդհանրացված հավասարումը՝

${\displaystyle T\,dS\geqslant dU+P\,dV,}$ 

${\displaystyle P=\mathrm {const} ,\;T=\mathrm {const} }$  դեպքում կստանանք

${\displaystyle d(U+PV-TS)\leqslant 0}$ ։

${\displaystyle d(G)\leqslant 0}$ ։

Այսպիսով՝ հաս��ատուն ջերմաստիճանի և ճնշման դեպքում համակարգում Գիբսի էներգիան ունի նվազագույն արժեք։

Կիրառելով թերմոդինամիկական պոտենցիալների էքստենսիվության հատկությունը, կարելի է ցույց տալ, որ մեկ տիպի մասնիկներով համակարգի համար քիմիական պոտենցիալը Գիբսի էներգիայի հարաբերությունն է համակարգում նյութի մոլերի թվին․

${\displaystyle \mu ={\frac {G}{n}}}$ ։

Եթե համակարգը կազմված է ${\displaystyle i}$  թվով մասնիկների տիպերից՝ յուրաքանչյուր տիպում ${\displaystyle n_{i}}$  մոլերի թվով, ապա Գիբս-Դյուհեմի առնչությունը բերվում է

${\displaystyle G(p,T,N_{1}\dots )=\mu _{1}n_{1}+\mu _{2}n_{2}+\dots }$ 

արտահայտությանը։

ՔԻմիական պատենցիալը կիրառվում է փոփոխական թվով մասնիկներից համակարգերի վերլուծության ժամանակ, ինչպես նաև փուլային անցումներն ուսումնասիրելիս։ ԱՅսպես, ելնելով Գիբս-Դյուհեմի առնչությունից և միմյանց հետ փուլերի հավասարակշռության մեջ գտնվող քիմիական պոտենցիալների ${\displaystyle \mu _{1}=\mu _{2}}$  հավասարության պայմանից, կարելի է ստանալ Կլապեյրոն-Կլաոզիուսի հավասարումը, որը սահմանոմ է երկու փուլերի համագոյակցության գիծը ${\displaystyle (p,T)}$  կոորդինատներով^[1]։

Քիմիական պրոցեսներում միաժամանակ գործում են երկու հակադիր գործոններ՝ էնտրոպիային (${\displaystyle T\Delta S}$ ) և էնտալպիային (${\displaystyle \Delta H}$ )։ Այս հակադիր գործոնների գումարային ազդեցությունը հաստատուն ճնշման և ջերմաստիճանի դեպքում սահմանում է ${\displaystyle G}$  Գիբսի էներգիան․

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S}$ ։

Այս արտահայտությունից հետևում է, որ ${\displaystyle \Delta H=\Delta G+T\Delta S}$ , այսինքն՝ որոշ ջերմաքանակ ծախսվում է էնտրոպիայի մեծացման վրա (${\displaystyle T\Delta S}$ )․ էներգիայի այս մասը կորած է օգտակար աշխատանք կատարելու համար (ջերմության տեսքով ցրվում է շրջակա միջավայրում)։ Այն հաճախ կոչվում է կապված էներգիա։ Ջերմության մնացած մասը (${\displaystyle \Delta G}$ ) կարող է կիրառվել աշխատանք կատարելու համար, այդ պատճառով Գիբսի էներգիան հաճախ կոչվում է նաև ազատ էներգիա։

Գիբսի էներգիայի փոփոխության բնույթը թույլ է տալիս դատել պրոցեսի իրականացման սկզբունքային հնարավորության մասին։ ${\displaystyle \Delta G<0}$  դեպքում պրոցեսը կարող է տեղի ունենալ ինքնակամ, ${\displaystyle \Delta G>0}$  դեպքում պրոցեսը չի կարող ընթանալ․ ոչ ինքնակամ պրոցես (այլ կերպ ասած, եթե Գիբսի էներգիան համակարգի սկզբնական վիճակում ավելի մեծ է, քան վերջնական վիճակում, ապա պրոցեսը սկզբունքորեն կարող է տեղի ունենալ,հակառակ դեպքում չի կարող)։ Իսկ եթե ${\displaystyle \Delta G=0}$ , ապա համակարգը գտնվում է քիմիական հանասարակշռության վիճակում։

Այստեղ խոսքի քիմիական ռեակցիայի ընթանալու սկզբունքային հնարավորության մասին է։ Իրական պայմաններում ռեակցիան կարող է և չսկսվել ${\displaystyle \Delta G<0}$  անհավասարության դեպքում (կինետիկական պատճառներով)։

Քիմիական ռեակցիայի ընթացքում Գիբսի ազատ էներգիան նրա ${\displaystyle K}$  հավասարակշռության գործակցին կապող առնչությունը՝

${\displaystyle \Delta G=-RT\cdot \ln Kp}$ ,

որտեղ Кр-ը ըստ ճնշման հավասարակշիռ գործակիցն է։

Գիբսի էներգիան կոչվել է թերմոդինամիկայի հիմնադիրներից մեկի՝ Ջոզայա Գիբսի անունով։

• Ахметов Н. С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. — М.: Просвещение, 1991. — 495 с. — ISBN 5-09-002630-0.
• Базаров И. П. Термодинамика. — М.: Высшая школа, 1991. — 376 с. — ISBN 5-06-000626-3.
• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — Издание 3-е, дополненное. — М.: Наука, 1976. — 584 с. — («Теоретическая физика», том V).

• Թերմոդինամիկական պոտենցիալ
• Հելմհոլցի ազատ էներգիա