吉布斯自由能计算

1、EHFA NET职称论文发表专家百家期刊包歿快歿wwv/QQ:278123888写住桁写签约保过物理化学中以吉布斯自由能为主线的自发性与平衡的教学李纯淸陶菲菲（绍兴文理学院 化学化I学院浙江 绍兴引2000）摘 要:文隼讨论了在相半衡、化学半衡、电化学以及表面化学教学中，以吉布斯I由能为主线分析过程门发性研究平衡 过程中并物理量的关系及平衡的计算.这种教学方法有助于引导学生把握韦物的本质应用理论分析和解决问题并起到 学以致用举一反三的作用.关键词:吉布斯口由能：自发性;平衡中图分类号:（；642文献标识码:A文章编号：1008- 293X（201（）08- （）（X

2、）9- （）3吉布斯fl由能是物理化学中的-个重要的热力学函数虽然它只是一个定义的函数，仅是若干热力学 函数的数学组介,没有物理意义.但吉布斯门由能概念几乎贯穿在整个物理化学的学习过程中，教学中通 过以吉布斯门由能为主线，加深对吉布斯门由能的定义、性质和判据的学握，正确理解体系的吉布斯门宙 能变化的计算公式及其使用范围、条件，就能引导学生在掌握知识的同时学会把握事物内在的本质，应用 理论分析和解决问题，起到学以致用举一反三的作用.1吉布斯自由能的定义与性质定义式为：G二/-",是状态函数,具有容呈性质其SI单位是焦耳（J）.因为H、S和T均为系统的性 质，与环境无关，故（；适用于封闭

3、系统.由热力学第一定律、热力学第二定律可得出吉布斯H由能判据“刃："不可逆自疵q歹逆，平衡八/不可逆了戒可逆,平衡（）在等温等压条件卜；対一个封闭系统有: （H（；）t.（丿 T,p在多组分体系中，由吉布斯自由能还引入了一个重要的概念-化学势（偏摩尔吉布斯自由能丿，定义 z 、为:Gb =dG咖丿 T.p.nJCHB)在不同的体系中，体系（；的变化可表达为:(16 =-SdT +Vdp（组成不变，封闭系统，场二0）（1（；=-SdT +VAp +If（组成可变的封闭系统场=（）丿(4丿d(；=-SdT +Vdp + Ycl/1 s +（组成町变的封闭系统目.考虑表面吉布斯H由能丿(5

4、丿收稿日期:2010- （M- 15作者简命謝瓢躍譎蛊？M陀辭隸J糯詩般青勰嵋勰憾劇谓醴第8期李纯清 陶菲菲:物理化学中以吉布斯门山能为主线的门发性弓平衡的教学11基于以上认识我们可在相平衡、化学平衡、可逆电池、表而化学等内容教学中，通过对体系吉布斯门 由能变化式（1丿 （5丿的讨论，分析体系门发进行的方向，得到平衡的计算方法，分析平衡时体系相关物理 量的关系.设系统有a和B两相,在等温等压条件卜；设相B中有极微暈谭质朋转移到a相中,则由式（4）可知体系的吉布斯口由能的总变化有.（"；=嘛皿+< 02 吉布斯自由能与相平衡门发平衡W<14=-（皿，由此推出，门发变化的方向

5、是物质B从內较大的相流向较小的相，直到物质B在两相 的化学势相等,即阳二応.推广到多相体系的相平衡有，皿二诩二山二，该结论在相律推导中得到应用.对于单组份的两相平衡.则为该物质在两相屮的摩尔吉布斯惭数相等，此=Iflj两相的吉布斯函 数为Ga二UV, =此冷和G”并无等式关系.在讨论单组份系统两相平衡时的温度与斥力关系时，则通过式（3丿和等温等斥卜平衡时&；二（）的条 件,得到Clapeymn方程霁=鵲:".3吉布斯自由能与化学平衡对冇化学反应的系统，由式（2丿讨论.在等温等压下，尙=刀皿 dnn = - S AT +h“Vdp +自发平衡对于气相反应B（T9p）=吗（T）+

6、 RTn;p在溶液中的反应，有 B（T9p9 xb） = B（T9p ）+ KT bi an =吗（T） +RTcih：(7)对复相反应体系,如果凝聚相均处于纯态,不形成I占I溶体或溶液，则比«诩（诩是纯凝聚相在标准斥 力下的化学势丿.将研究体系中参入反应物质同-状态卜的皿表达式代入式（6）中，得到化学反应的等温方程式囚 Gm 二祀 + l<rn n«I«（9）u反应达到平衡时，ArGn二 从吧+ RTnQa（平衡丿二（），Sm = - l<rnQa（平衡丿二-Mln/d!教学小通过比较从；皿和盘使学生了解它们代农的不同的状态，数值与反应的方向以及平衡

7、组成 的关系；了解"几可以通过反应的Nd,川比得到也可以从K°或0得到，把化学平衡与热化学、电化学 等知识联系起来4 吉布斯自由能与可逆电池由式（1丿可知，在等温等斥条件K当系统发生变化时.系统吉布斯自由能的减少等于对外所做的最 大非膨胀功.如果非膨胀功只有电功则对于可逆电池反应有（ gn）T、p =畋"=-zFE, E为可逆电动 势.显然，当电池中的化学能以不可逆的方式转变成电能时，两电极间的不可逆电势差一定小于可逆电动 势.通过复习吉布斯自由能判据的条件可让学生了解电化学中对可逆电池研究的必要性 辨别化学平衡 与可逆电池的区别你 并由式（9丿化学反应等温式，进

8、一步得到电池反应的Nemst方程M =必-5 吉布斯自由能与表面物理化学在表而物理化学的学习中，吉布斯I由能也是广泛应用的域巫要的热力学旳数.当体系的比表而很 尢需要考虑表面吉布斯自由能时，体系G的变化必须用式(5丿表达.表而张力与给相应量不变的情况卜；增加单位表面积时系统的吉布斯自由能的增值，即为. Y二 Z 、7T-，此时，可逆地增加的表而枳的吉布斯口由能dG = Y(1.4s = pxdV9f)aV为增加表面积(L4s时，I丿为克服附加压力的作用环境所消耗的功，由此得出附加压力的计算公式=务同理，由式(5丿可得到雨要的弯曲表面上的蒸汽压- Kelvin公式 RTnl=书张以及溶液的表面吸

9、 po K P附-Gibbs吸附公式. r2 =-静系统的吉布斯自由能降低是表面现象产生的内在动力，通过缩小表面积、降低表而张力、表而吸附都 是吉布斯门由能降低的途径.因此，表面活性剂的应用、液-固表而的润湿作用的等许多表而现象的讨论 都可以围绕着吉布斯自由能降低展开.6拓展教学中适当引入吉布斯自由能最小原理在生产实践中应用的案例,可帮助学生进-步开阔视野、拓展 思路.吉布斯自由能最小原理广泛应用在化学反应的物料平衡、能量平衡以及相平衡等模拟计算中.如运 用GiH)is门由能最小方法建立循环流化床煤气化非计量平衡模型，研究气化炉等主要操作参数对气化结 果的影响.应用Gibbk自由能最小原理，可

10、对c(h重整ah过程进行热力学平衡分析，研究温度、压力、 原料气体组成等对产物分布和所需热量的影响,为反应器设计提供依据和理论指导.采用测定的常压K 二元体系的汽液平衡数据，可计算各组分的活度系数，通过求得相应体系的常压过暈Gibbs 11由能，分析 体系对理想溶液偏差等.7总结物化课程教学中，通过以吉布斯口由能为主线的教学方法分析过程口发性,研究平衡过程，并应用到 实践屮解决实际问题，不仅使学生较好地掌握了物理化学的基本知识和基本原理,加深对I然现象本质的 认饥 也学会了运用物理化学的科学思维方法,提出问题、研究问题、分析问题，提高了他们获取知识并用 來解决实际问题的能力，达到课程的教学目的

11、.参考文献：1傅献彩.沈文霞，姚天扬，等.物理化学(第五版)$1.北京:高等教育出版社,2(1)8.2朱传征，褚莹，许海涵.物理化学(第二版)1.北京：科学出1, 3X)8.3 沈文霞.物理化学学习及考研指导(M.北京：科学出版社.2008.4 Peter Atkins. Atkins' Physical Chemistry(第 7 版)bl.北京：高教出版社,2(X)6.5 Li X. Grace J R, Watlchson A P, et al Equilibrium nKxleliiig ol gasification: a free eneij- minimization approach and its application to a cnculating fluidized beclcoal gasifier ljJ. Fuel, 2(X)1, &)( 2): 195- 207.6李延兵.基于Gibbs自由能最小原理分析C(b重整东南