第3章_吉布斯自由能变化(2.3MB)

§４－２化学反应的吉布斯自由能变化一、化学反应的标准吉布斯自由能变化化学反应的标准右布斯自由能变化∆r G m0是反应产物与反应物都处于标准态下化学势之差。

化学反应的吉布斯自由能变化∆r G m是反应产物和反应物皆处于任意状态下化学势之差。

∆r G mө与∆r G m是两个含义不同的物理量。

在等温等压条件下，任何物质的μi0都有定值，所以任何反应的∆r G mө都有是常数；但由化学反应的等温式可知∆r G m 不但与∆r G mө有关，即与Q a有关，所以在等温等压条件下∆r G m不是常数。

换言之，∆r G mө>0的化学反应未必不能正向自发进行，可以通过Q a值的调整使反应的∆r G m<0，反应即能正向自发进行。

例如氨合成反应，在673K时，如果N2、H2和NH3的分压都是101325Pa，此时∆r G mө=24.20 kJ⋅mol-1，这个数值大于零，在该条件下∆r G m>0，反应不能正向自发进行。

若改变N2、H2和NH3的分压，则可使∆r G m<0，反应便能正向自发进行。

式业合成氨就是这种情况下实现的。

∆r G mө虽然不能用来指示反应的方向，但可以用来估计反应的可能性。

等温式告诉我们，如果∆r G mө的绝对值很大，则∆r G m的正负号在一般情况下可能与∆r G mө一致。

譬如，∆r G mө有很大的负值，若要使改变符号，Q a必很大，这在实际上有时是难以实现的。

例如反应:Zn(s)+1/2O 2(g)===ZnO(s)在298K 时，该反应的∆r G m ө=－318.2kJ ⋅mol -1.根据∆r G m ө =－RTlnK ө ，K P P O 001212=(/)，解得氧气的平衡分压P O 2=2.8×10-107 Pa.要使∆r G m >0，即Zn 不被氧化，氧的分压要小于2.8×10-107Pa ，因此Zn 在空气中能自动地被氧化，而且反应很彻底。

吉布斯自由能公式在物理化学中，吉布斯自由能公式是一个非常重要的概念。

它描述了一个系统在恒温恒容条件下的平衡状态和非平衡状态之间的转化能力。

吉布斯自由能公式由19世纪的物理化学家吉布斯提出，成为了理解和预测自然界中化学反应和相变的关键工具。

1. 吉布斯自由能的定义吉布斯自由能（Gibbs Free Energy）用符号G表示，它定义为一个系统在恒温恒容条件下可用于做非体积功的最大能量。

当系统处于平衡状态时，吉布斯自由能呈极小值。

吉布斯自由能的公式为：G = H - TS其中，H为焓（enthalpy），T为温度，S为熵（entropy）。

这个公式描述了系统的能量变化和熵变化之间的关系。

2. 吉布斯自由能的物理意义吉布斯自由能可以帮助我们理解化学反应和相变的发生条件。

在恒温恒容条件下，一个系统的吉布斯自由能的变化ΔG可以通过以下公式计算：ΔG = ΔH - TΔS当ΔG小于0时，系统会朝着更稳定的状态转化，化学反应会发生。

当ΔG大于0时，系统不会发生化学反应。

当ΔG等于0时，系统处于平衡状态。

3. 吉布斯自由能在化学反应中的应用吉布斯自由能可以帮助我们预测化学反应的方向和条件。

根据ΔG的大小，我们可以确定一个反应是放热还是吸热，是自发的还是非自发的。

通过调控温度和压力，可以改变系统的吉布斯自由能，从而控制化学反应的进行。

吉布斯自由能公式在化学工程、生物化学等领域都有着广泛的应用。

它不仅可以解释许多自然界现象，还可以指导实际工程和制备过程的设计和优化。

结论吉布斯自由能公式是物理化学中的一个重要概念，通过它我们可以深入理解系统平衡状态和非平衡状态之间的能量变化和熵变化关系。

吉布斯自由能的理论为化学反应和相变的预测提供了重要工具，有着广泛的应用前景。

通过对吉布斯自由能的深入研究，我们可以更好地理解和控制自然界中的化学过程。

标准吉布斯自由能公式吉布斯自由能公式（Gibbs free energy equation）是热力学中的重要概念，它在化学和物理领域都有着广泛的应用。

这个公式是由美国化学家Josiah Willard Gibbs 于1878年提出的，它描述了系统在恒定温度和压力下的自由能变化。

在化学反应和相变过程中，吉布斯自由能公式可以用来预测系统的稳定性和反应的方向。

本文将详细介绍吉布斯自由能公式的定义、意义和应用。

吉布斯自由能公式的定义如下：ΔG = ΔH TΔS。

其中，ΔG表示系统的自由能变化，ΔH表示系统的焓变化，T表示系统的温度，ΔS表示系统的熵变化。

这个公式描述了系统在恒定温度和压力下的可用能量变化，也就是系统可以做的最大非体积功。

当ΔG小于0时，系统处于稳定状态，反应会朝着生成更稳定物质的方向进行；当ΔG大于0时，系统处于不稳定状态，反应会朝着消耗能量的方向进行；当ΔG等于0时，系统处于平衡状态，反应已经达到了最稳定状态。

吉布斯自由能公式的意义在于可以帮助我们预测化学反应和相变过程的方向和稳定性。

在化学反应中，当我们知道反应的焓变化和熵变化时，就可以通过吉布斯自由能公式来计算系统的自由能变化，从而判断反应的进行方向。

在相变过程中，比如固液相变或液气相变，吉布斯自由能公式同样可以帮助我们判断相变的进行方向和稳定性。

除了用于预测反应方向和稳定性外，吉布斯自由能公式还可以用来优化化学工艺和工程设计。

在化学工程中，我们经常需要设计反应器和分离装置，吉布斯自由能公式可以帮助我们确定最适合的工艺条件，从而提高生产效率和降低能耗成本。

此外，吉布斯自由能公式还在生物化学和生物物理学中有着重要的应用。

生物体内的许多代谢反应都是在恒定温度和压力下进行的，吉布斯自由能公式可以帮助我们理解生物体内各种代谢反应的进行方向和稳定性，从而揭示生命活动的基本原理。

总之，吉布斯自由能公式是热力学中的重要概念，它不仅可以帮助我们理解化学反应和相变过程，还可以应用于化学工程和生物学领域。

第四章 化学平衡4.1 化学平衡的条件和反应的亲和势1.化学反应体系: 封闭的单相体系，不作非膨胀功，发生了一个化学反应，设为：D E F G d e f g ++⋅⋅⋅→++⋅⋅⋅各物质的变化量必须满足 B B0B ν=∑根据反应进度的定义，可以得到： B B d d n ξν=B B d d n νξ=2. 热力学基本方程B B B d d d d G S T V p n μ=-++∑等温、等压条件下，,B B B B B Bd d d T p G n μνμξ==∑∑（） B B (d d )n νξ= ,B B B() T p G νμξ∂=∂∑ (a) 当 1 mol ξ=时：r m ,B B BT p G νμ∆=∑（） (b)这两个公式适用条件：（1） 等温、等压、不作非膨胀功的一个化学反应；（2） 反应过程中，各物质的化学势保持不变。

公式（a ）表示有限体系中发生微小的变化；公式(b)表示在大量的体系中发生了反应进度等于1 mol 的变化。

这时各物质的浓度基本不变，化学势也保持不变。

3. 化学反应的方向与限度 用,B r m ,B() , ()T p B T p G G νμξ∂∆∂∑ 或 判断都是等效的。

r m ,()0T p G ∆< 反应自发地向右进行r m ,()0T p G ∆> 反应自发地向左进行，不可能自发向右进行r m ,()0T p G ∆= 反应达到平衡 用,()T p G ξ∂∂判断，这相当于~G ξ图上曲线的斜率，因为是微小变化，反应进度处于0~1 mol 之间。

,()0T p G ξ∂<∂ 反应自发向右进行，趋向平衡 ,()0T p G ξ∂>∂ 反应自发向左进行，趋向平衡 ,()0T p G ξ∂=∂ 反应达到平衡4. 为什么化学反应通常不能进行到底？严格讲，反应物与产物处于同一体系的反应都是可逆的，不能进行到底。

只有逆反应与正反应相比小到可以忽略不计的反应，可以粗略地认为可以进行到底。

毕业论文I摘 要本文基于块体材料的热力学和热物理的性质，研究了纳米结构材料的吉布斯自由能的两种热力学方案。

文中不仅对熔点的尺寸效应进行了探讨，还讨论了由于熔化而引起的体积变化。

同时，对吉布斯自由能与尺寸、温度、形状的关系进行了进一步探讨。

建立了纳米粒子吉布斯自由能模型，发现吉布斯自由能随颗粒尺寸的增大而减小，随温度的升高而升高。

对比了这两种计算吉布斯自由能的方案发现这两种方案比其他方案计算更加准确。

关键词：纳米材料； 块体材料；吉布斯自由能；热力学性质毕业论文IIAbstractBased on the thermodynamic and thermophysical properties of bulk materials, This thesis studies two kinds of thermodynamic scheme of the Gibbs free energy for the nanometer structure material. It not only discussed the melting point of the size effect also discussed due to the change in volume caused by melting. At the same time, the relationship of the Gibbs free energy and size, temperature, the shape were discussed in this thesis. Then established the nanoparticles Gibbs free energy model found that the Gibbs free energy decreases with increasing particle size and increased with increasing temperature. Contrast to these two kinds of calculation of the Gibbs free energy of the solution found that the two scheme of calculating more accurate than others.Keyword : nanostructured materials ；bulk materials ；Gibbs free energy ； thermodynamic properties毕业论文III目 录摘 要 ............................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................... II 目 录 . (III)第一章 绪 论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 相关研究状况 (2)1.3 本文研究的内容及意义 (4)1.4 论文各章节的安排 (5)第二章 计算纳米粒子吉布斯自由能的第一种热力学方案 (6)2.1原理与方法 (6)2.2结果与原因 (8)2.3研究讨论 (9)2.3.1Qi 与Nanda 液滴模型 (9)2.3.2各模型与实验情况的分析 (9)第三章 计算纳米粒子吉布斯自由能的第二种热力学方案 (12)3.1模型建立 (12)3.2探究结果与讨论 (14)第四章 结 论 ............................................................................................................ 17 参考文献 ........................................................................................................................ 18 致 谢 .. (19)毕业论文1第一章 绪 论1.1 研究背景纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为材料的基本单元。

吉布斯自由能的公式在化学的世界里，吉布斯自由能的公式就像是一把神奇的钥匙，能帮助我们打开许多化学反应的奥秘之门。

吉布斯自由能（Gibbs free energy）的公式是：G = H - TS 。

这里的G 代表吉布斯自由能，H 表示焓变，T 是热力学温度，S 则是熵变。

咱们先来聊聊这个焓变（H）。

记得有一次我在实验室做实验，那是一个探究酸碱中和反应的实验。

当时我把盐酸慢慢地滴入氢氧化钠溶液中，用温度计测量着溶液的温度变化。

随着反应的进行，温度逐渐升高，这就意味着这个反应的焓变是负值，是一个放热反应。

而这个焓变的值，在吉布斯自由能的公式里可是有着重要的地位呢。

再说说熵变（S）。

有一回在课堂上，我给学生们举了个例子，好比把一堆整齐的书本打乱，这个过程就是熵增加的过程。

熵变反映的就是体系混乱程度的变化。

热力学温度（T），这可就比较好理解啦。

就像我们在夏天感觉热，冬天感觉冷，温度的高低会影响很多事情。

那这个公式到底有啥用呢？比如说，我们可以通过计算吉布斯自由能的变化来判断一个化学反应能不能自发进行。

如果吉布斯自由能变化小于零，那这个反应就能自发进行；要是大于零，就不能自发进行；等于零的时候，反应就处于平衡状态。

想象一下，我们在工业生产中，如果不了解吉布斯自由能的公式，就没法判断某个化学反应是不是值得投入大量的资源去进行。

比如说制造氨气的反应，如果不知道这个公式，盲目地去操作，可能会浪费大量的能源和原材料，最后却得不到想要的结果。

在日常生活中，吉布斯自由能的公式也有它的影子。

就像食物的腐败，这其实也是一个化学反应的过程。

通过这个公式，我们能从理论上理解为什么食物在一定条件下会变质。

学习吉布斯自由能的公式并不是一件轻松的事情，需要我们耐心地去理解每个概念，多做一些练习题，多观察生活中的化学现象。

就像我刚开始接触这个公式的时候，也是一头雾水，但是通过不断地学习和实践，慢慢地就掌握了其中的精髓。

总之，吉布斯自由能的公式虽然看起来有点复杂，但只要我们用心去学，就能发现它的魅力所在，让它成为我们探索化学世界的有力工具。

第三节：化学反应的方向——熵增加和吉布斯自由能减少【自发过程与化学反应的方向性】1、什么是自发过程无须外力的干涉，“任其自然，不去管它，便能自动进行下去的过程，称为自发过程。

2、什么是化学反应的方向指的是化学反应自发进行的方向，例如：2H2 + O2 = 2H2OZn + H2SO4 = ZnSO4 + H2AgNO3 + NaCl = AgCl + NaNO33、自发过程、自发反应有哪些共同的特点？a)单向自发，逆向则为非自发，但非自发并不等于不可能，只是说需要外力的推动。

b)自发的过程进行有一定的限度，即最终达到平衡。

c)自发的过程的内在推动力是什么？A、能量倾向于较低，例如放热反应B、混乱度倾向于增加历史上曾有人，用焓变作为化学反应的方向性的判据。

但对有些情况，遭到了失败。

例如：水的蒸发（吸热）；NH4Cl的溶解；N2O5 = 2NO2 + 1/2 O2这种失败，其原因是，只考虑了化学反应能量这一个方面的因素。

但决定整个化学反应方向的还有另外一个重要因素，即：“混乱度”的因素。

因此，要全面考察化学反应的方向，还必须引入一个新的热力学状态函数——熵。

【物质的标准熵与化学反应的熵变】1、体系的混乱度与熵混乱度：排列的无规律、不整齐的程度熵：表征体系混乱度的一种状态函数体系的熵，就是指体系的混乱度，指体系内部所有物质的微粒排列不整齐、无规则的程度。

（1 什么情况下，混乱度过增加？物质的三态固态< 液态< 气态溶解的过程溶质的分子与溶剂的分子混合到一起化学反应反应前后，气态物质的总分子数增加CaCO3 = CaO + CO2温度温度越高，混乱度越大，熵值越大（2自发过程，往往是混乱度增加的过程# 墨水在清水中的扩散# 火柴棒散乱# 冰的融化，水的气化# 锌粒在酸溶液中反应溶解【热力学第三定律与物质的标准摩尔规定熵】既然熵指的是体系的混乱度，那么，对于一个特定的物质体系，什么时候物质的微粒排列最整齐，物质的熵值为零？热力学第三定律就给我们指出了物质熵的零点1、热力学第三定律：任何物质的完美晶体，在绝对0 K时的熵值为零。

吉布斯自由能公式：ΔG=ΔH－TΔS （Kj/mol) G
ΔG=ΔH－TΔS （Kj/mol) G叫做吉布斯自由能。

ΔG叫做吉布斯自由能变吉布斯自由能的变化可作为恒温、恒压过程自发与平衡的判据。

吉布斯自由能改变量。

表明状态函数G是体系所具有的在等温等压下做非体积功的能力。

反应过程中G的减少量是体系做非体积功的最大限度。

这个最大限度在可逆途径得到实现。

反应进行方向和方式判据。

吉布斯自由能的变化可作为恒温、恒压过程"自发与平衡"的判据。

一般ΔG<0则反应必为自发，反之必为非自发。