4.3. Энтальпийный и энтропийный факторы процесса. Энергия Гиббса.

Направление протекания процесса определяется двумя противоположными тенденциями:

1) стремлением системы перейти в состояние с наименьшей энергией;

2) стремлением системы перейти в состояние с наибольшей энтропией.

В реальных химических процессах происходит одновременное изменение и энтальпии, и энтропии системы. Для учета обоих этих факторов вводится новая функция состояния системы:

G = H – TS

G – энергия Гиббса; свободная энергия; изобарно-изотермический потенциал.

Для процессов, протекающих при T=const и p=const:

G = H - TS

Изменение энергии Гиббса равно по абсолютной величине максимальной полезной работе, которую может совершить система:

G = - A_max

Таким образом общий энергетический эффект процесса Н можно представить как сумму двух составляющих:

H = G + TS,

где G – это та часть энергии, которую можно превратить в работу (“свободная” энергия); TS – “связанная” энергия, которая ни при каких условиях не может быть превращена в работу и неизбежно рассеивается в виде теплоты.

Знак величины G однозначно определяет направление самопроизвольного протекания процесса в изобарно-изотермических условиях. Согласно второму закону термодинамики:

При p=const и T=const самопроизвольно могут протекать процессы в направлении уменьшения энергии Гиббса (G<0).

Термодинамические процессы могут быть обратимыми и необратимыми. Обратимые процессы заканчиваются установлением равновесия. Равновесие – это такое состояние системы, при котором все ее параметры остаются постоянными как угодно долго при отсутствии внешних воздействий. Равновесие – это динамическое состояние. Оно означает не отсутствие процессов в системе, а равенство скоростей прямого и обратного процессов.

Процесс будет протекать самопроизвольно только в направлении, приближающем систему к состоянию равновесия. В состоянии равновесия энергия Гиббса принимает минимальное значение и не изменяется:

G<0 – процесс протекает самопроизвольно в прямом направлении;

G=0 – состояние равновесия

G>0 – самопроизвольное протекание прямого процесса невозможно (самопроизвольно протекает обратная реакция, для которой G<0).

Соотношение энтальпийного (Н) и энтропийного (TS) факторов процесса:

1. если Н<0 и S>0, то G<0 всегда, т.е. процесс протекает самопроизвольно при любых Т;

2. если Н>0 и S<0, то G>0 всегда, т.е. процесс невозможен ни при каких Т;

3. если H<0 и S<0, то G<0) при условии H>TS, т.е. процесс протекает самопроизвольно при низких температурах;

4. если H>0 и S>0, то G<0) при условии H<TS, т.е. процесс протекает самопроизвольно при высоких температурах.

Энергия Гиббса – это функция состояния системы. Ее изменение G в процессе может быть рассчитано на основании закона Гесса и его следствий. Стандартные энергии Гиббса образования веществ [кДж/моль] приводятся в справочных таблицах. Стандартные энергии Гиббса образования простых веществ принимаются равными нулю.

Для того чтобы определить, будет ли процесс протекать самопроизвольно при стандартном состоянии и данной температуре, необходимо рассчитать и процесса, а затем определить знак  при данной температуре.