17.7
Wpływ temperatury na swobodną energię
Aby reakcja była spontaniczna przy stałej temperaturze i ciśnieniu, zmiana energii swobodnej Gibbsa, ΔG, musi być mniejsza od zera.
Znak ΔG zależy od znaków i względnych wartości entalpii, entropii i temperatury.
Entalpia sprzyja spontaniczności, gdy reakcja uwalnia ciepło do otoczenia, podczas gdy entropia sprzyja spontaniczności, gdy w systemie jest więcej nieporządku.
Jeżeli ΔH jest ujemne, a ΔS jest dodatnie, jak w reakcji wodorotlenku sodu z kwasem solnym, ΔG jest ujemne we wszystkich temperaturach. Tak więc reakcje egzotermiczne – w których wzrasta entropia układu – są zawsze spontaniczne.
Jeśli zarówno ΔH, jak i ΔS są ujemne, ΔG zależy od temperatury. Weźmy pod uwagę zamarzanie wody w lód, reakcję egzotermiczną, w której entropia układu maleje.
W temperaturach poniżej punktu zamarzania woda zamarza samoistnie, uwalniając ciepło i stając się bardziej uporządkowana. Zatem reakcje z ujemnymi zmianami entalpii i entropii są spontaniczne tylko w niskich temperaturach.
ΔG jest również zależne od temperatury, jeśli zarówno ΔH, jak i ΔS są dodatnie.
Typowym przykładem jest chemiczny zimny okład, w którym stały azotan amonu rozpuszcza się w wodzie, która pochłania ciepło z otoczenia. Ta reakcja endotermiczna przebiega spontanicznie w temperaturze pokojowej z powodu wzrostu nieporządku systemu. Zatem reakcje z dodatnimi zmianami entalpii i entropii są spontaniczne tylko w wyższych temperaturach.
Gdyby temperatura została obniżona tak, że TΔS stanie się mniejsze niż ΔH, ΔG będzie dodatnie, a reakcja stanie się niespontaniczna.
Gdy ΔH jest dodatnie, a ΔS jest ujemne, ΔG jest zawsze dodatnie, a reakcja jest niespontaniczna we wszystkich temperaturach.
Spontaniczność procesu zależy od temperatury układu. Na przykład przejścia fazowe będą zachodzić samoistnie w jednym lub drugim kierunku, w zależności od temperatury danej substancji. Podobnie niektóre reakcje chemiczne mogą również wykazywać spontaniczność zależną od temperatury. Aby zilustrować tę koncepcję, rozważono równanie odnoszące zmianę energii swobodnej do zmian entalpii i entropii procesu:
Spontaniczność procesu, odzwierciedlona w arytmetycznym znaku zmiany jego energii swobodnej, jest następnie określana przez znaki zmian entalpii i entropii oraz, w niektórych przypadkach, temperaturę bezwzględną. Ponieważ T jest temperaturą bezwzględną (kelwin), może ona przyjmować tylko wartości dodatnie. Istnieją zatem cztery możliwości w odniesieniu do znaków zmian entalpii i entropii:
- Zarówno ΔH, jak i ΔS są dodatnie. Warunek ten opisuje proces endotermiczny, który wiąże się ze wzrostem entropii układu. W tym przypadku ΔG będzie ujemne, jeśli wielkość składnika TΔS będzie większa niż ΔH. Jeśli składnik TΔS jest mniejszy niż ΔH, zmiana energii swobodnej będzie dodatnia. Proces taki jest samoistny w wysokich temperaturach i niespontaniczny w niskich temperaturach.
- Zarówno ΔH, jak i ΔS są ujemne. Warunek ten opisuje proces egzotermiczny, który polega na spadku entropii układu. W tym przypadku ΔG będzie ujemne, jeśli wielkość składnika TΔS będzie mniejsza niż ΔH. Jeśli wielkość składnika TΔS jest większa niż ΔH, zmiana energii swobodnej będzie dodatnia. Proces taki jest samoistny w niskich temperaturach i niespontaniczny w wysokich temperaturach.
- ΔH jest dodatnie, a ΔS jest ujemne. Warunek ten opisuje proces endotermiczny, który polega na spadku entropii układu. W tym przypadku ΔG będzie dodatnie niezależnie od temperatury. Proces taki nie jest spontaniczny w każdej temperaturze.
- ΔH jest ujemne, a ΔS jest dodatnie. Warunek ten opisuje proces egzotermiczny, który wiąże się ze wzrostem entropii układu. W tym przypadku ΔG będzie ujemne niezależnie od temperatury. Proces taki zachodzi samoistnie w każdej temperaturze.
Aby reakcja była spontaniczna przy stałej temperaturze i ciśnieniu, zmiana energii swobodnej Gibbsa, ΔG, musi być mniejsza od zera.
Znak ΔG zależy od znaków i względnych wartości entalpii, entropii i temperatury.
Entalpia sprzyja spontaniczności, gdy reakcja uwalnia ciepło do otoczenia, podczas gdy entropia sprzyja spontaniczności, gdy w systemie jest więcej nieporządku.
Jeżeli ΔH jest ujemne, a ΔS jest dodatnie, jak w reakcji wodorotlenku sodu z kwasem solnym, ΔG jest ujemne we wszystkich temperaturach. Tak więc reakcje egzotermiczne – w których wzrasta entropia układu – są zawsze spontaniczne.
Jeśli zarówno ΔH, jak i ΔS są ujemne, ΔG zależy od temperatury. Weźmy pod uwagę zamarzanie wody w lód, reakcję egzotermiczną, w której entropia układu maleje.
W temperaturach poniżej punktu zamarzania woda zamarza samoistnie, uwalniając ciepło i stając się bardziej uporządkowana. Zatem reakcje z ujemnymi zmianami entalpii i entropii są spontaniczne tylko w niskich temperaturach.
ΔG jest również zależne od temperatury, jeśli zarówno ΔH, jak i ΔS są dodatnie.
Typowym przykładem jest chemiczny zimny okład, w którym stały azotan amonu rozpuszcza się w wodzie, która pochłania ciepło z otoczenia. Ta reakcja endotermiczna przebiega spontanicznie w temperaturze pokojowej z powodu wzrostu nieporządku systemu. Zatem reakcje z dodatnimi zmianami entalpii i entropii są spontaniczne tylko w wyższych temperaturach.
Gdyby temperatura została obniżona tak, że TΔS stanie się mniejsze niż ΔH, ΔG będzie dodatnie, a reakcja stanie się niespontaniczna.
Gdy ΔH jest dodatnie, a ΔS jest ujemne, ΔG jest zawsze dodatnie, a reakcja jest niespontaniczna we wszystkich temperaturach.
From Chapter 17:
Now Playing
17.7 : Wpływ temperatury na swobodną energię
Thermodynamics
22.5K Views
17.1 : Spontaniczność
Thermodynamics
23.7K Views
17.2 : Entropia
Thermodynamics
27.3K Views
17.3 : Druga zasada termodynamiki
Thermodynamics
22.9K Views
17.4 : Trzecia zasada termodynamiki
Thermodynamics
18.0K Views
17.5 : Standardowa zmiana entropii dla reakcji
Thermodynamics
19.2K Views
17.6 : Swobodna energia Gibbsa
Thermodynamics
28.1K Views
17.8 : Obliczanie standardowych zmian energii swobodnej
Thermodynamics
21.2K Views
17.9 : Swobodne zmiany energii dla stanów niestandardowych
Thermodynamics
11.3K Views
17.10 : Energia swobodna i równowaga
Thermodynamics
20.9K Views