Գիբսի էներգիա

Գիբսի էներգիա, Գիբսի ազատ էներգիա, Գիբսի պոտենցիալ, թերմոդինամիկական պոտենցիալ, որը ցույց է տալիս էներգիայի փոփոխությունը քիմիական ռեակցիայի ընթացքում․

  
    
      
        G
        =
        U
        +
        P
        V
        −
        T
        S
      
    
    {\displaystyle G=U+PV-TS}
  ։Գիբսի էներգիան կարելի է հասկանալ որպես համակարգի լրիվ քիմիական էներգիա։ Գիբսի էներգիայի հասկացությունը լայնորեն կիրառվում է թերմոդինամիկայում և քիմիայում։
Իզոբար-իզոթերմ պրոցեսի ինքնակամ ընթացքը որոշվում է երկու գործոններով․ համակարգի էնտալպիայի նվազմամբ (ΔH) և T ΔS չկարգավորվածության աճով՝ պայմանավորված էնտրոպիայի աճով։ Այս թերմոդինամիկական գործոնների տարբերությունը՝ Գիբսի ազատ էներգիան, համակարգի վիճակի ֆունկցիա է, կոչվում է նաև իզոբար-իզոթերմ պոտենցիալ։


== Սահմանում ==
Գիբսի էներգիայի դասական սահմանումը

  
    
      
        G
        =
        U
        +
        P
        V
        −
        T
        S
        ,
      
    
    {\displaystyle G=U+PV-TS,}
  արտահայտությունն է, որտեղ 
  
    
      
        U
      
    
    {\displaystyle U}
  -ն ներքին էներգիան է, 
  
    
      
        P
      
    
    {\displaystyle P}
  -ն՝ ճնշումը, 
  
    
      
        V
      
    
    {\displaystyle V}
  -ն՝ ծավալը, 
  
    
      
        T
      
    
    {\displaystyle T}
  -ն՝ բացարձակ ջերմաստիճանը, 
  
    
      
        S
      
    
    {\displaystyle S}
  -ը՝ էնտրոպիան։
Հաստատուն թվով մասնիկներով համակարգի համար Գիբսի էներգիայի դիֆերենցիալը, արտահայտված սեփական փոփոխականներով՝ p ճնշումով և T ջերմաստիճանով, կլինի՝

  
    
      
        d
        G
        =
        −
        S
        
        d
        T
        +
        V
        
        d
        P
      
    
    {\displaystyle dG=-S\,dT+V\,dP}
  ։Փոփոխական թվով մասնիկներից կազմված համակարգի համար այս դիֆերենցիալը գրվում է որպես

  
    
      
        d
        G
        =
        −
        S
        
        d
        T
        +
        V
        
        d
        P
        +
        μ
        
        d
        N
      
    
    {\displaystyle dG=-S\,dT+V\,dP+\mu \,dN}
  ,որտեղ 
  
    
      
        μ
      
    
    {\displaystyle \mu }
  -ն քիմիական պոտենցիալն է, որը կարելի է սահմանել որպես համակարգին մեկ մասնիկ ավելացնելու համար անհրաժեշտ էներգիան։


== Կապը համակարգի թերմոդինամիկական կայունության հետ ==
Գիբսի պոտենցիալի նվազագույն արժեքը համապատասխանում է ֆիքսված ջերմաստիճանով, ճնշումով և մասնիկների թվով թերմոդինամիկական համակարգի կայուն հավասարակշռության վիճակին։
Գրելով թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ սկզբունքների ընդհանրացված հավասարումը՝

  
    
      
        T
        
        d
        S
        ⩾
        d
        U
        +
        P
        
        d
        V
        ,
      
    
    {\displaystyle T\,dS\geqslant dU+P\,dV,}
  
  
    
      
        P
        =
        
          c
          o
          n
          s
          t
        
        ,
        
        T
        =
        
          c
          o
          n
          s
          t
        
      
    
    {\displaystyle P=\mathrm {const} ,\;T=\mathrm {const} }
   դեպքում կստանանք

  
    
      
        d
        (
        U
        +
        P
        V
        −
        T
        S
        )
        ⩽
        0
      
    
    {\displaystyle d(U+PV-TS)\leqslant 0}
  ։

  
    
      
        d
        (
        G
        )
        ⩽
        0
      
    
    {\displaystyle d(G)\leqslant 0}
  ։Այսպիսով՝ հաստատուն ջերմաստիճանի և ճնշման դեպքում համակարգում Գիբսի էներգիան ունի նվազագույն արժեք։


== Կիրառությունները քիմիայում ==


=== Կապը քիմիական պոտենցիալի հետ ===
Կիրառելով թերմոդինամիկական պոտենցիալների էքստենսիվության հատկությունը, կարելի է ցույց տալ, որ մեկ տիպի մասնիկներով համակարգի համար քիմիական պոտենցիալը Գիբսի էներգիայի հարաբերությունն է համակարգում նյութի մոլերի թվին․

  
    
      
        μ
        =
        
          
            G
            n
          
        
      
    
    {\displaystyle \mu ={\frac {G}{n}}}
  ։Եթե համակարգը կազմված է 
  
    
      
        i
      
    
    {\displaystyle i}
   թվով մասնիկների տիպերից՝ յուրաքանչյուր տիպում 
  
    
      
        
          n
          
            i
          
        
      
    
    {\displaystyle n_{i}}
   մոլերի թվով, ապա Գիբս-Դյուհեմի առնչությունը բերվում է

  
    
      
        G
        (
        p
        ,
        T
        ,
        
          N
          
            1
          
        
        …
        )
        =
        
          μ
          
            1
          
        
        
          n
          
            1
          
        
        +
        
          μ
          
            2
          
        
        
          n
          
            2
          
        
        +
        …
      
    
    {\displaystyle G(p,T,N_{1}\dots )=\mu _{1}n_{1}+\mu _{2}n_{2}+\dots }
  արտահայտությանը։
ՔԻմիական պատենցիալը կիրառվում է փոփոխական թվով մասնիկներից համակարգերի վերլուծության ժամանակ, ինչպես նաև փուլային անցումներն ուսումնասիրելիս։ ԱՅսպես, ելնելով Գիբս-Դյուհեմի առնչությունից և միմյանց հետ փուլերի հավասարակշռության մեջ գտնվող քիմիական պոտենցիալների 
  
    
      
        
          μ
          
            1
          
        
        =
        
          μ
          
            2
          
        
      
    
    {\displaystyle \mu _{1}=\mu _{2}}
   հավասարության պայմանից, կարելի է ստանալ Կլապեյրոն-Կլաոզիուսի հավասարումը, որը սահմանոմ է երկու փուլերի համագոյակցության գիծը 
  
    
      
        (
        p
        ,
        T
        )
      
    
    {\displaystyle (p,T)}
   կոորդինատներով։


=== Գիբսի էներգիան և քիմիական ռեակցիայի ընթացքի ուղղությունը ===
Քիմիական պրոցեսներում միաժամանակ գործում են երկու հակադիր գործոններ՝ էնտրոպիային (
  
    
      
        T
        Δ
        S
      
    
    {\displaystyle T\Delta S}
  ) և էնտալպիային (
  
    
      
        Δ
        H
      
    
    {\displaystyle \Delta H}
  )։ Այս հակադիր գործոնների գումարային ազդեցությունը հաստատուն ճնշման և ջերմաստիճանի դեպքում սահմանում է 
  
    
      
        G
      
    
    {\displaystyle G}
   Գիբսի էներգիան․

  
    
      
        Δ
        G
        =
        Δ
        H
        −
        T
        Δ
        S
      
    
    {\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S}
  ։Այս արտահայտությունից հետևում է, որ 
  
    
      
        Δ
        H
        =
        Δ
        G
        +
        T
        Δ
        S
      
    
    {\displaystyle \Delta H=\Delta G+T\Delta S}
  , այսինքն՝ որոշ ջերմաքանակ ծախսվում է էնտրոպիայի մեծացման վրա (
  
    
      
        T
        Δ
        S
      
    
    {\displaystyle T\Delta S}
  )․ էներգիայի այս մասը կորած է օգտակար աշխատանք կատարելու համար (ջերմության տեսքով ցրվում է շրջակա միջավայրում)։ Այն հաճախ կոչվում է կապված էներգիա։ Ջերմության մնացած մասը (
  
    
      
        Δ
        G
      
    
    {\displaystyle \Delta G}
  ) կարող է կիրառվել աշխատանք կատարելու համար, այդ պատճառով Գիբսի էներգիան հաճախ կոչվում է նաև ազատ էներգիա։
Գիբսի էներգիայի փոփոխության բնույթը թույլ է տալիս դատել պրոցեսի իրականացման սկզբունքային հնարավորության մասին։ 
  
    
      
        Δ
        G
        <
        0
      
    
    {\displaystyle \Delta G<0}
   դեպքում պրոցեսը կարող է տեղի ունենալ ինքնակամ, 
  
    
      
        Δ
        G
        >
        0
      
    
    {\displaystyle \Delta G>0}
   դեպքում պրոցեսը չի կարող ընթանալ․ ոչ ինքնակամ պրոցես (այլ կերպ ասած, եթե Գիբսի էներգիան համակարգի սկզբնական վիճակում ավելի մեծ է, քան վերջնական վիճակում, ապա պրոցեսը սկզբունքորեն կարող է տեղի ունենալ,հակառակ դեպքում չի կարող)։ Իսկ եթե 
  
    
      
        Δ
        G
        =
        0
      
    
    {\displaystyle \Delta G=0}
  , ապա համակարգը գտնվում է քիմիական հանասարակշռության վիճակում։
Այստեղ խոսքի քիմիական ռեակցիայի ընթանալու սկզբունքային հնարավորության մասին է։ Իրական պայմաններում ռեակցիան կարող է և չսկսվել 
  
    
      
        Δ
        G
        <
        0
      
    
    {\displaystyle \Delta G<0}
   անհավասարության դեպքում (կինետիկական պատճառներով)։
Քիմիական ռեակցիայի ընթացքում Գիբսի ազատ էներգիան նրա 
  
    
      
        K
      
    
    {\displaystyle K}
   հավասարակշռության գործակցին կապող առնչությունը՝

  
    
      
        Δ
        G
        =
        −
        R
        T
        ⋅
        ln
        ⁡
        K
        p
      
    
    {\displaystyle \Delta G=-RT\cdot \ln Kp}
  ,որտեղ Кр-ը ըստ ճնշման հավասարակշիռ գործակիցն է։


== Պատմական տեղեկություններ ==
Գիբսի էներգիան կոչվել է թերմոդինամիկայի հիմնադիրներից մեկի՝ Ջոզայա Գիբսի անունով։


== Ծանոթագրություններ ==


== Գրականություն ==
Ахметов Н. С. Актуальные вопросы курса неорганической химии. — М.: Просвещение, 1991. — 495 с. — ISBN 5-09-002630-0.
Базаров И. П. Термодинамика. — М.: Высшая школа, 1991. — 376 с. — ISBN 5-06-000626-3.
Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — Издание 3-е, дополненное. — М.: Наука, 1976. — 584 с. — («Теоретическая физика», том V).


== Տես նաև ==
Թերմոդինամիկական պոտենցիալ
Հելմհոլցի ազատ էներգիա