Գիբսի էներգիա

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

 ։

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
 
արտահայտությունն է, որտեղ -ն ներքին էներգիան է, -ն՝ ճնշումը, -ն՝ ծավալը, -ն՝ բացարձակ ջերմաստիճանը, -ը՝ էնտրոպիան։

Հաստատուն թվով մասնիկներով համակարգի համար Գիբսի էներգիայի դիֆերենցիալը, արտահայտված սեփական փոփոխականներով՝ p ճնշումով և T ջերմաստիճանով, կլինի՝
 ։
Փոփոխական թվով մասնիկներից կազմված համակարգի համար այս դիֆերենցիալը գրվում է որպես
 ,
որտեղ -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՝
 
 դեպքում կստանանք
 ։
 ։
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․
 ։

Եթե համակարգը կազմված է  թվով մասնիկների տիպերից՝ յուրաքանչյուր տիպում  մոլերի թվով, ապա Գիբս-Դյուհեմի առնչությունը բերվում է

 

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  հավասարության պայմանից, կարելի է ստանալ Կլապեյրոն-Կլաոզիուսի հավասարումը, որը սահմանոմ է երկու փուլերի համագոյակցության գիծը  կոորդինատներով։

Գիբսի էներգիան և քիմիական ռեակցիայի ընթացքի ուղղությունը 
Քիմիական պրոցեսներում միաժամանակ գործում են երկու հակադիր գործոններ՝ էնտրոպիային () և էնտալպիային ()։ Այս հակադիր գործոնների գումարային ազդեցությունը հաստատուն ճնշման և ջերմաստիճանի դեպքում սահմանում է  Գիբսի էներգիան․
 ։
Այս արտահայտությունից հետևում է, որ , այսինքն՝ որոշ ջերմաքանակ ծախսվում է էնտրոպիայի մեծացման վրա ()․ էներգիայի այս մասը կորած է օգտակար աշխատանք կատարելու համար (ջերմության տեսքով ցրվում է շրջակա միջավայրում)։ Այն հաճախ կոչվում է կապված էներգիա։ Ջերմության մնացած մասը () 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։  դեպքում պրոցեսը կարող է տեղի ունենալ ինքնակամ,  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 , ապա համակարգը գտնվում է քիմիական հանասարակշռության վիճակում։

Այստեղ խոսքի քիմիական ռեակցիայի ընթանալու սկզբունքային հնարավորության մասին է։ Իրական պայմաններում ռեակցիան կարող է և չսկսվել  անհավասարության դեպքում (կինետիկական պատճառներով)։

Քիմիական ռեակցիայի ընթացքում Գիբսի ազատ էներգիան նրա  հավասարակշռության գործակցին կապող առնչությունը՝
 ,
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

Էներգիա
Թերմոդինամիկական պոտենցիալներ