普通化学/热力学/吉布斯自由能

简介

熵和焓的意义何在？到目前为止，你已经学习了平衡来告诉你反应进行的程度，以及动力学来告诉你反应进行的速度。热力学可以告诉你反应是否会发生，以及在什么温度下发生。这似乎过于明显，但为什么冰块在30°C时会自发融化？融化是吸热的，因此似乎逆反应（冻结）更受青睐。毕竟，释放热量的反应通常比吸收热量的反应更有利。

答案是吉布斯自由能（也称为吉布斯自由能）。反应的自由能变化最终决定了它是否可以自发发生。自由能是熵和焓的组合，当反应降低自由能时，它就会自发发生。

公式

自由能由 $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ 定义。通过测量或计算反应的熵变和焓变，你可以确定自由能的变化。注意，自由能也取决于温度。在这个方程式中（与所有其他热力学方程式一样）$T$ 必须是绝对温度，以开尔文为单位。因此水的冰点不是零，而是 273 K。通过使用开尔文温标，所有温度都将大于零。

当你已经求解了某个特定反应在一定温度下的$\Delta G$ 时，你将发现三种可能的结果之一

反应类型		意味着...
$\Delta G<0$	放能	反应自发进行。
$\Delta G=0$		反应处于平衡状态。
$\Delta G>0$	吸能	反应不会发生。

有了这些知识，你可以确定反应处于平衡状态的温度（通过将 G 设置为 0 并求解 T）。如果反应是吸能的，它就不会自发发生。然而，在不同的温度下，反应可能会发生。此外，逆反应将具有 G 的相反值。例如，丙烷的燃烧将具有很大的负的自由能变化值。逆反应将具有相同的大值，但为正值。这很有道理，因为众所周知，丙烷不会自发地从烤架的烟雾排气中沉淀出来。

自发性

让我们回到融化的冰块的例子。在 T = 273 K (0 °C) 时，冻结和融化过程处于平衡状态。ΔG 必须等于零。在更高的温度下，融化过程自发发生，因此我们可以推断出 ΔH 是正的，ΔS 也是正的。我们已经知道融化是吸热的，并且会增加熵，所以似乎自由能方程式是有效的。

在熵和焓之间，可能有四种可能的结果

$\Delta H$	$\Delta S$	$\Delta G$	结果
+	-	始终 +	永远不自发
-	+	始终 -	始终自发
+	+	低温时为 +，高温时为 -	取决于温度
-	-	低温时为 -，高温时为 +	取决于温度

我们可以看到，冰块的融化在高温下是自发的。

自由能相关

正如我们已经看到的那样，自由能与平衡有关。有一个方程式可以让你在给定温度下将反应自由能与特定反应的平衡常数进行转换

$\Delta G=-RT\times \ln K_{eq}$

$R$ 是通用气体常数，而 $\ln$ 是 *自然对数*。科学计算器会有一个[LN]用来计算对数，以及一个[e^]按钮用来计算反对数。