طاقة غيبس تختصر قرار الاتجاه
سؤال من الحياة
نفس التفاعل قد يكون تلقائيًا عند حرارة وغير تلقائي عند أخرى.
لاحظ العلاقة ثم فسّرها
قارن الإشارة على جانبي 400 K. ما الذي تغير عندما رفعنا درجة الحرارة؟
افهم من الرسم: الحرارة قد تبدل إشارة ΔG
أين ينتقل الخط من السالب إلى الموجب؟
قارن ملاحظتك بالتفسير
عند 400 K، بافتراض ثبات ΔH = −40 kJ وΔS = −0.100 kJ K⁻¹؛ التلقائية الأمامية عند درجات أقل من الحد.
أحتاج أساسًا بسيطًا قبل الدرس
- إشارات ΔH وΔS
- درجة الحرارة بالكلفن
الفكرة بكلمات بسيطة
عند ثبوت الضغط ودرجة الحرارة: ΔG = ΔH − TΔS. إذا كانت ΔG سالبة فالاتجاه الأمامي تلقائي، وإذا كانت موجبة فالعكسي مفضل؛ وعند الاتزان ΔG الفعلية تساوي صفرًا.
- وحّد الوحدات.
- عوّض درجة الحرارة بالكلفن.
- احسب ثم فسّر الإشارة.
الشرح خطوة بخطوة
لماذا نحتاج ΔG؟
بدل حساب النظام والمحيط كل مرة، نستعمل عند ثبوت الضغط والحرارة علاقة طاقة غيبس: ΔG = ΔH − TΔS. هنا ΔS تخص النظام. تجمع العلاقة أثر انتقال الحرارة وأثر تغير الحالات المجهرية في قرار واحد.
إذا كانت ΔG سالبة فالاتجاه الأمامي تلقائي، وإذا كانت موجبة يكون الاتجاه العكسي هو المفضل. عند الاتزان تكون ΔG الفعلية صفرًا. يجب التمييز بين ΔG الفعلية وΔG° للظروف القياسية؛ لا نساويهما لكل خليط مهما كانت تراكيزه.
توقع أثر الحرارة قبل الآلة الحاسبة
إذا كانت ΔH سالبة وΔS موجبة، يكون الحد الأول سالبًا ونطرح مقدارًا موجبًا، فتكون ΔG سالبة عند درجات الحرارة الموجبة ضمن صلاحية افتراض ثبات القيم. إذا كانت ΔH موجبة وΔS سالبة، يصبح كلا الإسهامين موجبًا.
عندما تحمل ΔH وΔS الإشارة نفسها، تتنافس مساهمتاهما. للموجبتين تساعد الحرارة المرتفعة على التلقائية؛ وللسالبتين تساعد الحرارة المنخفضة. عند الحد الفاصل نفترض ΔG=0 فنحصل على T=ΔH/ΔS بوحدات متسقة.
مثال جديد: نفهم سبب كل خطوة
ΔH = +60 kJ وΔS = +150 J K⁻¹. احسب ΔG عند 300 و500 K، ثم درجة الحد.
- نحول ΔS إلى +0.150 kJ K⁻¹ حتى تطابق وحدة ΔH.
- عند 300 K: ΔG = 60 − 300×0.150 = +15 kJ.
- عند 500 K: ΔG = 60 − 500×0.150 = −15 kJ.
- درجة الحد: T = 60/0.150 = 400 K.
- أعلى من 400 K يصبح الاتجاه الأمامي تلقائيًا في هذا النموذج؛ أقل منها غير تلقائي.
عند 300 K: +15 kJ؛ عند 500 K: −15 kJ؛ الحد 400 K.
مسألة موجّهة: جرّبها على ورقة
ΔH = −30 kJ وΔS = −100 J K⁻¹. احسب ΔG عند 250 K.
أحتاج خطوة تساعدني
حوّل ΔS إلى −0.100 kJ K⁻¹ وانتبه لطرح السالب.
أقارن حلي بالتفسير
ΔG = −30 − 250×(−0.100) = −5 kJ؛ الاتجاه الأمامي تلقائي بهذه الظروف.
مثال محلول: لماذا فعلنا كل خطوة؟
ΔH = −40 kJ وΔS = −100 J K⁻¹: عند 300 K تكون ΔG = −10 kJ.
- إذا كانت ΔH وΔS موجبتين تصبح الحرارة المرتفعة أكثر ملاءمة للتلقائية.
- إذا كانت ΔH سالبة وΔS موجبة فالعملية تلقائية عند كل درجة حرارة موجبة ضمن صلاحية القيم.
انتبه لهذا الخلط الشائع
- نستخدم السلسيوس في TΔS.
- نخلط ΔG القياسية والفعلية.
تدريب متدرج: من الأساس إلى التطبيق
اختر، اقرأ السبب، وعدّل إجابتك دون عقوبة.
جرّب فكرة جديدة واشرح بكلماتك
هل ΔG° = 0 يثبت اتزان أي خليط فعلي؟
هذا التفسير للتفكير الذاتي؛ لا نصححه آليًا ولا نحفظه. هل ذكرت السبب والعلاقة؟