普通化學/熱力學/吉布斯自由能

簡介

熵和焓的意義何在？到目前為止，你已經學習了平衡來告訴你反應進行的程度，以及動力學來告訴你反應進行的速度。熱力學可以告訴你反應是否會發生，以及在什麼溫度下發生。這似乎過於明顯，但為什麼冰塊在30°C時會自發融化？融化是吸熱的，因此似乎逆反應（凍結）更受青睞。畢竟，釋放熱量的反應通常比吸收熱量的反應更有利。

答案是吉布斯自由能（也稱為吉布斯自由能）。反應的自由能變化最終決定了它是否可以自發發生。自由能是熵和焓的組合，當反應降低自由能時，它就會自發發生。

公式

自由能由 $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ 定義。透過測量或計算反應的熵變和焓變，你可以確定自由能的變化。注意，自由能也取決於溫度。在這個方程式中（與所有其他熱力學方程式一樣）$T$ 必須是絕對溫度，以開爾文為單位。因此水的冰點不是零，而是 273 K。透過使用開爾文溫標，所有溫度都將大於零。

當你已經求解了某個特定反應在一定溫度下的$\Delta G$ 時，你將發現三種可能的結果之一

反應型別		意味著...
$\Delta G<0$	放能	反應自發進行。
$\Delta G=0$		反應處於平衡狀態。
$\Delta G>0$	吸能	反應不會發生。

有了這些知識，你可以確定反應處於平衡狀態的溫度（透過將 G 設定為 0 並求解 T）。如果反應是吸能的，它就不會自發發生。然而，在不同的溫度下，反應可能會發生。此外，逆反應將具有 G 的相反值。例如，丙烷的燃燒將具有很大的負的自由能變化值。逆反應將具有相同的大值，但為正值。這很有道理，因為眾所周知，丙烷不會自發地從烤架的煙霧排氣中沉澱出來。

自發性

讓我們回到融化的冰塊的例子。在 T = 273 K (0 °C) 時，凍結和融化過程處於平衡狀態。ΔG 必須等於零。在更高的溫度下，融化過程自發發生，因此我們可以推斷出 ΔH 是正的，ΔS 也是正的。我們已經知道融化是吸熱的，並且會增加熵，所以似乎自由能方程式是有效的。

在熵和焓之間，可能有四種可能的結果

$\Delta H$	$\Delta S$	$\Delta G$	結果
+	-	始終 +	永遠不自發
-	+	始終 -	始終自發
+	+	低溫時為 +，高溫時為 -	取決於溫度
-	-	低溫時為 -，高溫時為 +	取決於溫度

我們可以看到，冰塊的融化在高溫下是自發的。

自由能相關

正如我們已經看到的那樣，自由能與平衡有關。有一個方程式可以讓你在給定溫度下將反應自由能與特定反應的平衡常數進行轉換

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

$R$ 是通用氣體常數，而 $\ln$ 是 *自然對數*。科學計算器會有一個[LN]用來計算對數，以及一個[e^]按鈕用來計算反對數。