طاقة غيبس الحرة

Core idea

Overview

تُحدد طاقة غيبس الحرة أقصى كمية من الشغل غير التوسعي الذي يمكن استخلاصه من نظام مغلق ديناميكياً حرارياً عند ضغط ودرجة حرارة ثابتين. وهي بمثابة معيار حاسم للتلقائية، حيث تشير القيمة السالبة إلى أن التفاعل سيحدث دون إدخال طاقة خارجية من خلال موازنة المحتوى الحراري والإنتروبيا.

When to use: استخدم هذه المعادلة للتنبؤ بتلقائية التفاعلات الكيميائية أو التغيرات الطورية تحت ظروف درجة حرارة وضغط ثابتين. وهي مفيدة بشكل خاص عند تحديد درجة الحرارة التي ينتقل عندها التفاعل من كونه غير تلقائي إلى تلقائي.

Why it matters: هذه الصيغة هي أساس علم الطاقة الكيميائية، مما يسمح للعلماء بحساب ثوابت الاتزان وتصميم العمليات الكيميائية الصناعية. في علم الأحياء، تشرح كيف تربط الخلايا التفاعلات غير المفضلة مع التفاعلات المفضلة لدفع مسارات الأيض الحيوية.

Symbols

Variables

$Δ$ H = Enthalpy Change, $Δ$ S = Entropy Change, T = Temperature, $Δ$ G = Gibbs Free Energy

Δ H

Enthalpy Change

kJ/mol

Δ S

Entropy Change

kJ/molK

T

Temperature

K

Δ G

Gibbs Free Energy

kJ/mol

Walkthrough

Derivation

الصيغة: طاقة جيبس الحرة

تتنبأ بجدوى العملية عند درجة حرارة وضغط ثابتين باستخدام تغيرات المحتوى الحراري والإنتروبيا.

تبقى درجة الحرارة والضغط ثابتين.

1

اذكر معادلة جيبس:

تجمع طاقة جيبس الحرة بين تأثيرات المحتوى الحراري ( $Δ$ H) والإنتروبيا ( $Δ$ S) عند درجة الحرارة T (كلفن).

Δ G = Δ H - T Δ S

2

تفسير الجدوى:

يشير $Δ$ G السالب إلى اتجاه تلقائي مجدٍ في ظل الظروف المحددة.

Δ G < 0 (spontaneous), Δ G = 0 (equilibrium)

Note: انتبه للوحدات: غالبًا ما يكون $Δ$ H بوحدات kJ mol^{-1}؛ وغالبًا ما يكون $Δ$ S بوحدات J $K^{- 1}$ mol^{-1}، لذا قم بالتحويل إذا لزم الأمر.

Result

Δ G < 0 (spontaneous), Δ G = 0 (equilibrium)

Source: OCR A-Level Chemistry A — Thermodynamics

Free formulas

Rearrangements

Solve for $Δ H$

اجعل Delta H موضوع المعادلة

Δ H = Δ G + T Δ S

لجعل $Δ$ H موضوع معادلة الطاقة الحرة لجيبس، أضف TΔ S إلى طرفي المعادلة.

Difficulty: 2/5

Solve for $Δ S$

اجعل Delta S موضوع المعادلة

Δ S = \frac{Δ H - Δ G}{T}

لجعل $Δ$ S موضوع معادلة الطاقة الحرة لجيبس، قم أولاً بعزل الحد TΔ S، ثم اقسم على T واضبط الإشارة السالبة.

Difficulty: 2/5

Solve for $T$

اجعل T موضوع المعادلة

T = \frac{Δ H - Δ G}{Δ S}

لجعل T موضوع معادلة الطاقة الحرة لـ Gibbs، اطرح أولاً $Δ$ H، ثم اضرب في -1، وأخيرًا اقسم على $Δ$ S.

Difficulty: 2/5

The static page shows the finished rearrangements. The app keeps the full worked algebra walkthrough.

Visual intuition

Graph

يعرض الرسم البياني خطاً مستقيماً حيث يمثل تقاطع y التغير في المحتوى الحراري ويتم تحديد الميل بواسطة التغير السالب في الإنتروبيا. بالنسبة لطالب الكيمياء، تعني هذه العلاقة الخطية أنه مع زيادة درجة الحرارة، تتغير تلقائية التفاعل بمعدل ثابت اعتماداً على ما إذا كان التغير في الإنتروبيا موجباً أم سالباً. الميزة الأكثر أهمية لهذا المنحنى هي تقاطع x، الذي يحدد درجة الحرارة النوعية التي تصل عندها طاقة جيبس الحرة إلى الصفر وينتقل التفاعل بين كونه تلقائياً وغير تلقائي.

Graph type: linear

Why it behaves this way

Intuition

تمثل طاقة جيبس الحرة توازنًا بين ميل النظام لتقليل طاقته (المحتوى الحراري) وتعظيم اضطرابه (الإنتروبيا)، مع تحديد درجة الحرارة للوزن النسبي لمساهمة الاضطراب.

Term

تغير في طاقة جيبس الحرة. يمثل الحد الأقصى للشغل غير PV الذي يمكن الحصول عليه من نظام عند درجة حرارة وضغط ثابتين.

الطاقة 'المفيدة' المتاحة من التفاعل. تشير القيمة السالبة إلى عملية تلقائية.

Term

تغير في المحتوى الحراري. يمثل الحرارة الممتصة أو المنبعثة بواسطة نظام عند ضغط ثابت.

التفاعلات الطاردة للحرارة (

Δ

H السالب) تطلق الحرارة وتميل إلى تفضيل التلقائية.

Term

درجة الحرارة المطلقة، عادة بالكلفن.

يُقاس أهمية حد الإنتروبيا. درجات الحرارة الأعلى تزيد من تأثير الإنتروبيا على التلقائية.

Term

تغير في الإنتروبيا. مقياس لتشتت الطاقة أو الفوضى داخل النظام.

التفاعلات التي تزيد من الفوضى (

Δ

S الموجب) تميل إلى تفضيل التلقائية.

Signs and relationships

-TΔ S: تشير العلامة السالبة إلى أن زيادة الإنتروبيا ( $Δ$ S الموجب) تجعل $Δ$ G أكثر سلبية، وبالتالي تفضل التلقائية. يمثل هذا الحد الطاقة 'المفقودة' لزيادة الفوضى، والتي لا تتوفر لـ

Free study cues

Insight

Canonical usage

تربط هذه المعادلة كميات الطاقة (طاقة غيبس الحرة، المحتوى الحراري) والإنتروبيا عند درجة حرارة معينة، عادةً باستخدام وحدات النظام الدولي للتناسق.

Ballpark figures

Quantity:

One free problem

Practice Problem

لتفاعل ΔH = -180 كيلوجول/مول و ΔS = -0.15 كيلوجول/(مول·كلفن). احسب ΔG عند T = 500 كلفن. هل التفاعل تلقائي عند درجة الحرارة هذه؟

Hint: ΔG = ΔH - TΔS. حافظ على جميع الوحدات بوحدة كيلوجول/مول.

The full worked solution stays in the interactive walkthrough.

Where it shows up

Real-World Context

في سياق تحديد ما إذا كان التفاعل مجدياً عند درجة حرارة معينة، تُستخدم معادلة طاقة غيبس الحرة لتحويل القياسات إلى قيمة يمكن تفسيرها. وتكمن أهمية الناتج في أنه يساعد على ربط الكميات المقاسة بالتركيز أو المردود أو تغير الطاقة أو سرعة التفاعل أو الاتزان.

Study smarter

Tips

قم دائمًا بتحويل درجة الحرارة إلى كلفن بإضافة 273.15 إلى قيمة سيلسيوس.
تحقق من أن وحدات المحتوى الحراري (عادة كيلوجول) والإنتروبيا (عادة جول/كلفن) متناسقة عن طريق قسمة الإنتروبيا على 1000.
تشير ΔG السلبية إلى عملية تلقائية، بينما تشير ΔG الإيجابية إلى عملية غير تلقائية.
عندما تساوي ΔG صفرًا، يكون النظام قد وصل إلى الاتزان الكيميائي.

Avoid these traps

Common Mistakes

خلط كيلوجول وجول
استخدام درجة مئوية بدلاً من كلفن.

Keep going

Related Formulas

Common questions

Frequently Asked Questions

تتنبأ بجدوى العملية عند درجة حرارة وضغط ثابتين باستخدام تغيرات المحتوى الحراري والإنتروبيا.

استخدم هذه المعادلة للتنبؤ بتلقائية التفاعلات الكيميائية أو التغيرات الطورية تحت ظروف درجة حرارة وضغط ثابتين. وهي مفيدة بشكل خاص عند تحديد درجة الحرارة التي ينتقل عندها التفاعل من كونه غير تلقائي إلى تلقائي.

هذه الصيغة هي أساس علم الطاقة الكيميائية، مما يسمح للعلماء بحساب ثوابت الاتزان وتصميم العمليات الكيميائية الصناعية. في علم الأحياء، تشرح كيف تربط الخلايا التفاعلات غير المفضلة مع التفاعلات المفضلة لدفع مسارات الأيض الحيوية.

خلط كيلوجول وجول استخدام درجة مئوية بدلاً من كلفن.

في سياق تحديد ما إذا كان التفاعل مجدياً عند درجة حرارة معينة، تُستخدم معادلة طاقة غيبس الحرة لتحويل القياسات إلى قيمة يمكن تفسيرها. وتكمن أهمية الناتج في أنه يساعد على ربط الكميات المقاسة بالتركيز أو المردود أو تغير الطاقة أو سرعة التفاعل أو الاتزان.

قم دائمًا بتحويل درجة الحرارة إلى كلفن بإضافة 273.15 إلى قيمة سيلسيوس. تحقق من أن وحدات المحتوى الحراري (عادة كيلوجول) والإنتروبيا (عادة جول/كلفن) متناسقة عن طريق قسمة الإنتروبيا على 1000. تشير ΔG السلبية إلى عملية تلقائية، بينما تشير ΔG الإيجابية إلى عملية غير تلقائية. عندما تساوي ΔG صفرًا، يكون النظام قد وصل إلى الاتزان الكيميائي.

References

Sources

Atkins' Physical Chemistry
IUPAC Gold Book: Gibbs energy
Wikipedia: Gibbs free energy
IUPAC Gold Book: Enthalpy
IUPAC Gold Book: Entropy
Callen, Herbert B. Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics
Callen's Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics
IUPAC Gold Book: Gibbs Free Energy

Overview

Variables

Derivation

اذكر معادلة جيبس:

تفسير الجدوى:

Rearrangements

Graph

Intuition

Insight

Practice Problem

Real-World Context

Tips

Common Mistakes

Related Formulas

Standard Gibbs free energy

Frequently Asked Questions

Sources