吉布斯-亥姆霍兹方程
亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能
定义式
H＝U＋PV A＝U－TS G＝U＋pV－TS＝A＋pV
一、热力学基本数学关系式－热力学基本方程(4－8－4)
推导 条件：封闭体系，可逆过程
热一律：dU=Q-pdV- wr 热二律： Q＝TdS
dU= TdS -pdV- wr (1)
H=U+PV, dH=dU+pdV+Vdp= TdS -pdV +pdV+Vdp - wr dH=TdS+Vdp - wr (2)
W =0, -d (U+pV-TS) 0
定义：吉布斯自由能： G U+pV-TS H-TS
具有能量量纲 具有容量性质 为状态函数，绝对值不知
2. Gibbs自由能判据
封闭体系，等T，p过程中G的减少，
-d G W W 0, -G W
可逆过程中，等于体系所作的最大WR 不可逆过程中，大于体系对外做的W
A=U-TS, dA=dU-TdS-SdT= TdS -pdV -TdS-SdT - wr
G=H-TS, dG=dH-TdS-SdT
dA= -SdT -pdV - wr (3) dG=-SdT+Vdp - wr (4)
当 wr ＝0 dU= TdS -pdV
dH=TdS+Vdp
(4)
dA= -SdT -pdV
§2-4 亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能 一. 第一、第二定律的联合表达式
第
一 定
dU = Q - p外dV - W 或 Q ＝ dU ＋ p外dV ＋ W
律
第 二
Q
dS
定
T源
律
或： Q T源dS
联
T源dS dU ＋ p外dV ＋ W
无机及分析化学课后习题第二章答案
一．选择题1．一化学反应系统在等温定容条件下发生一变化，可通过两条不同的途径完成：（1）放热10 kJ ，做电功50 kJ ；（2）放热Q , 不做功，则（ ）A. Q = －60kJB. Q = －10 kJC. Q = －40kJD. 反应的Q V =－10kJ解：选A 。
2．在298 K ，下列反应中 与 最接近的是（ ）θm r H ∆θm r G ∆A. CCl 4 (g) +2H 2O (g) =CO 2 (g) + 4HCl (g)B. CaO (s) +CO 2 (g) =CaCO 3 (s)C. Cu 2+ (aq) + Zn (s) =Cu (s) + Zn 2+ (aq)D. Na (s) +H 2O (l) =Na +(aq)+½H 2 (g)+OH －(aq)解：选C 。
∵ θθθθθθr m r m r m r m r m r mΔG ΔH ΔS ΔS = 0 , ΔG ΔH T =-≈当时∴反应C 中反应物和生成物中无气体物质、物态也无变化，。
θr m Δ S 值较小3．已知反应 2H 2 (g) +O 2 (g)= 2H 2O (g) 的 ∆r H m Θ= -483.63 kJ·mol –1，下列叙述正确的是（ ）A. ∆f H m θ(H 2O,g) = -483.63 kJ·mol –1B. ∆r H m θ= -483.63 kJ·mol –1 表示Δξ = 1 mol 时系统的焓变C. ∆r H m θ= -483.63 kJ·mol –1 表示生成1 mol H 2O (g) 时系统的焓变D. ∆r H m θ= -483.63 kJ·mol –1 表示该反应为吸热反应解：选B 。
A 错，根据Δf H m θ定义,H 2O (g)的系数应为1。
C 错，该方程为表示生成2 mol H 2O (g) 时系统的焓变。
北师大《无机化学》第四版习题答案5
北师大《无机化学》第四版习题答案5第五章化学热力学基础5-1 从手册中查出常用试剂浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸、浓氨水的密度和质量分数计算它们的（体积）物质的量浓度和质量摩尔浓度。
解：经查阅: p(HCl)=1.19g/ml w(HCl)=37.23%p(H2SO4)=1.83g/ml w(H2SO4)=98%p(HNO3)=1.42g/ml w(HNO3)=69.80%p(NH3.H2O)=0.9g/ml w(NH3.H2O)=26%由公式c=pw/M可得：c(HCl)=12 mol·L–1c(H2SO4)=18.3mol·L–1c(HNO3)=15.7 mol·L–1 c (NH3.H2O)=13.8 mol·L–1设1㎏水中含溶质n mol,则由w=m/(m+1000)（m为溶质质量）可得：m (HCl)=16.2 mol/㎏m(H2SO4)=500 mol/㎏m(HNO3)=36.69 mol/㎏m (NH3.H2O)= 20.67 mol/㎏5-2 从手册查出常温下的饱和水蒸气压，计算当时相对湿度为40%时，水蒸气压多大。
解：在298K下，P（饱和水蒸气压）=3.167Kpa，P（不饱和）/P（饱和）=40%，则P（不饱和）/P（饱和）=40%×P（饱和）=0.4×3.167=1.2668 Kpa答：水蒸气压为1.2668 Kpa.5-3化学实验中经常用蒸馏水冲洗已用自来水洗净的烧杯。
设洗净烧杯残留“水”为1mL,试计算，用30mL蒸馏水洗1次和2次，烧杯中残留的“自来水的浓度”分别多大？解：再用自来水洗之后，烧杯中自来水为1ml之后，加入30ml 蒸馏水，一共为31ml 水，自来水占1/31，倒掉后又倒1ml，故自来水浓度为1/31。
若第一次加入的蒸馏水倒掉之后，1ml中含1/31ml的自来水；再加入30ml蒸馏水，一共为31ml水，自来水占1/312=1/963 所以倒掉后自来水占1/312=1/9635-4 计算15℃,97kPa下15g氯气的体积。
吉布斯能变化的计算
应用：在等压下若已知反应在T1的DrGm(T1)，则可求得该反 应在T2时的DrGm(T2)。
积分形式
T2 ( DG )
T1
T
T2 T1
DH T2
dT
(1) 若温度变化范围不大，△H可近似为不随温度变化的常数
DG T
T 2
DG T
T 1
DH
1
(3)恒容下压力加倍；
T1=273K p1=100kPa
V1
T2= 2T1 p2=200kPa
V2=V1
W 0
Q
DU
nCV ,m (T2
T1)
1
3 2
R (2T1
T1)
3405J
DH
nCp,m (T2
T1)
1
5 2
R (2T1
T1)
5674J
DS
nCV ,m
DU 0, DH 0
nRT ln V2
DS Qr Wr
V1 nR ln V2 nR ln P1
TT
T
V1
P2
DF DU T DS nRT ln V1 V2
= Wr
DG DH T DS nRT ln V1 V2
例7： 求下列两过程的Q,W,ΔU, ΔH, ΔG, ΔF, ΔS
DH
nCp,m (T2
T1)
1
5 2
R (2T1
T1)
5674J
Q
DS
nC p,m
ln
亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能
＝0 可发生可逆过程 <0 不可发生的过程
二、亥姆霍兹(helmholz)自由能，功函， A(F)
T源dS -dU - p外dV W
1. 定义：满足T1＝T2＝T源＝常数， V＝常数 则 p外dV＝0 T源dS d(TS)
dTS -dU=-d( U - TS) W
W =0, -d( U - TS) 0
(3). 一般情况下， W =0, 则A<0, 自发进行， A＝0，可逆，
平衡, A>0， 该条件下，不能自动发生。
3. 讨论
(1). A为容量性质，状态函数，是体系性质， A只决定于体系 的始终态，与途径无关
(2). A是在等T，V条件下推出的函数，但并非只有等T，V过程 才有A，任何变化过程均有A，但不能作为过程的判据， 不能与W’联系。
2. 孤立体系(dU=0, dV=0) (S)U,V 0
3. 等T，V体系 (A)T,V 0
<0 自发 ＝0 平衡 >0 不自,V 0
<0 自发 ＝0 平衡 >0 不自发 >-W’ 不能进行
作业：p102, 22, 23
§2-6 热力学函数关系式及其应用
(3). 在恒T条件下有： T源dS dU ＋ W总 W总＝ W彭＋ W
dTS dU + W总 -d(U-TS)= -dAT W总
- A W总
在一个等T过程中，体系对外所作的总功不可能大于体系功函的 降低值，可逆过程，体系对外所作的总功等于功函的降低值； 不可逆过程，体系对外所作的总功小于功函降低值
W = 0,
-d G 0
-G 0
封闭体系等T, p过程中， 可逆过程G不变。 不可逆过程中G总是减少至该条件下 G最小达到平衡为止。
吉布斯-亥姆霍兹方程在无机化学中的应用
吉布斯-亥姆霍兹方程在无机化学中的应用一、引言在无机化学中，吉布斯-亥姆霍兹方程起着非常重要的作用。
吉布斯-亥姆霍兹方程是描述化学反应平衡条件的重要方程之一，它可以用来计算化学反应的平衡常数，从而帮助我们理解和预测化学反应的进行方向和速率。
在本文中，我们将探讨吉布斯-亥姆霍兹方程在无机化学中的应用，以及其对无机化学领域的重要意义。
二、吉布斯-亥姆霍兹方程的基本原理1. 吉布斯自由能吉布斯自由能是描述系统在恒定温度和压力下进行变化的热力学函数。
在化学反应中，吉布斯自由能的变化（ΔG）可以用来判断反应的进行方向，当ΔG小于0时，反应是自发进行的；当ΔG大于0时，反应不是自发进行的；而当ΔG等于0时，反应处于平衡状态。
吉布斯自由能的计算涉及到热力学参数的测定以及对系统的熵和焓进行分析。
2. 亥姆霍兹方程亥姆霍兹方程是描述系统在恒定温度下进行变化的热力学函数。
它与吉布斯自由能密切相关，可以用来描述系统在外界温度和体积不变的条件下的热力学变化。
亥姆霍兹方程与吉布斯自由能的关系为ΔA=ΔG-ΔPV，其中ΔA代表系统在恒定温度下的亥姆霍兹自由能变化，ΔG表示系统的吉布斯自由能变化，ΔP和ΔV分别代表系统的压力和体积的变化。
3. 吉布斯-亥姆霍兹方程的计算吉布斯-亥姆霍兹方程是由吉布斯自由能和亥姆霍兹方程联立而得到的热力学方程，它可以用来计算化学反应的平衡常数。
吉布斯-亥姆霍兹方程的表达式为ΔG=ΔH-TΔS，其中ΔH表示反应焓变，ΔS表示反应熵变，ΔG表示反应的自由能变化，T表示系统的温度。
通过测定反应焓变和熵变，我们可以利用吉布斯-亥姆霍兹方程来计算化学反应的平衡常数，从而帮助我们理解和预测化学反应的进行方向和速率。
三、无机化学中的吉布斯-亥姆霍兹方程应用1. 反应热力学性质的研究在无机化学中，我们需要研究化学反应的热力学性质，包括反应焓变、反应熵变以及反应的自由能变化等。
这些热力学参数对于理解和预测化学反应的进行方向和速率非常重要。
热力学第二定律自由能(3)
第 九 节 吉 布 斯 能 、 亥 姆 霍 兹 能
mix H 0
混合熵
mixS R nB ln xB
B
(2.25)
则混合过程的吉布斯能的变化
mixG mix H T mix S
G RT nB ln xB 0 （自发过程）
B
(2.44)
11
二、相变过程的ΔG （一）等温等压条件下的可逆相变过程
19
从式(2.45)可得出下列偏微分公式
U 等容 ( )V T S U )S p 等熵 ( V
同理，可分别得到：
U H T ( )V ( )p S S H G V ( ) S ( )T p p
U F p ( ) S ( )T V V F G S ( )V ( ) p T T
(2.62)
16
第十一节
热力学函数间的关系
H U pV F U TS G H TS U pV TS F pV
TS
TS U
H pV
F
G
pV
17
根据热一律 一、 热 力 学 基 本 关 系 式
dU Q W
(A) (B) (C)
W pdV 在可逆过程中，由热二律 Q TdS
麦克斯韦关系式
可用实验易于测定的偏 微商来代替实验不易测定 的偏微商
23
dG SdT Vdp
热力学第二定律
第三章 热力学第二定律一、内容提要1、热力学第二定律的数学形式不可逆或自发⎰<>∆21TQS δ 可逆或平衡 不可能上式是判断过程方向的一般熵判据。
将系统与环境一起考虑，构成隔离系统则上式变为：不可逆或自发021<>-+=∆+∆=∆⎰amb ramb iso T Q TQ S S S δ 可逆或平衡 不可能上式称为实用熵判据。
在应用此判据判断过程的方向时，需同时考虑系统和环境的熵变。
将上式应用于恒T 、V 、W ˊ=0或恒T 、p 、W ˊ=0过程有：不可逆或自发0)(0,,><∆-∆=-∆==∆'ST U TS U A W V T 可逆或平衡 反向自发此式称为亥姆霍兹函数判据。
不可逆或自发0)(0,,><∆-∆=-∆=∆='ST H TS H G W p T 可逆或平衡 反向自发此式称为吉布斯函数判据。
熵判据需同时考虑系统和环境，而亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据只需考虑系统本身。
熵判据是万能判据，而亥姆霍兹函数判据和吉布斯函数判据则是条件判据（只有满足下角标条件时才能应用）。
此外，关于亥姆霍兹函数和吉布斯函数，还有如下关系：r T W A =∆ r V T W A '=∆, r p T W G '=∆,即恒温可逆过程系统的亥姆霍兹函数变化等于过程的可逆功；恒温恒容可逆过程系统的亥姆霍兹函数变化等于过程的可逆非体积功；恒温恒压可逆过程系统的吉布斯函数变化等于过程的可逆非体积功。
下面将△S 、△A 和△G 的计算就三种常见的过程进行展开。
2、三种过程（物质三态pVT 变化、相变、化学反应）△S 、△A 和△G 的计算 （1）物质三态（g 、l 或s 态）pVT 变化（无相变、无化学反应）恒容时：⎰=∆21,T T m v V TdT nC S只有当恒压时：⎰=∆21,T T m P p TdTnC S 对于凝聚态物质的任意过程，由于熵随压力或体积的变化率很小，因此有：⎰⎰≈≈∆2121,,T T m V T T m P TdT nC T dT nC S对于气态物质的任意过程，由于熵随压力或体积的变化率不可忽略，而p T V T TVp S T p V S ()(,)()(∂∂-=∂∂∂∂=∂∂（麦克斯韦关系式），因此有： dV T p T dT nC dV V S T dT nC S VV V T T m V T V V T T m V ⎰⎰⎰⎰∂∂+=∂∂+=∆21212121((,,或dp T VT dT nC dp V S T dT nC S pp p T T m p p p p T T m p ⎰⎰⎰⎰∂∂-=∂∂+=∆21212121()(,, 其中V T p )(∂∂及p TV(∂∂可由气体的实际状态方程或实验数据求得。
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吉布斯—亥姆霍兹方程
吉布斯—亥姆霍兹方程来由 1876年，Gibbs提出一个把焓和熵归并在一起的状态函
数被称为吉布斯（Gibbs)自由能,用符号G表示，其 定义式为：G=H－TS。据此定义，等温过程的吉布斯 自由能变化△G ：
△G =G2－G1=（H2－TS2）－（H1－TS1） △G=△H－T△S
吉布斯—亥姆霍兹方程
• 亥姆霍兹（1821—1894）德国物理学家
• 简介：中学毕业后在军队服役8年，取得公费进入 柏林医学科学院。1842年获医学博士学位后，被 任命波茨坦驻军军医。1847年他在德国物理学会 发表了关于力的守恒讲演，在科学界赢得很大的 声望，次年担任了柯尼斯堡大学生理学副教授。 1868年亥姆霍兹研究转向物理学，并于1871年任 柏林大学物理学教授。他从克劳修斯的方程，导 出了后来称作吉布斯---亥姆霍兹方程
吉布斯—亥姆霍兹方程
• 吉布斯（1839—1903） 美国物理学家 • 简介：1839年2月生于纽黑文，1903年卒于同一地，19岁
毕业于耶鲁大学，并成为耶鲁工程学院的研究生，1863年 取得美国首批博士学位，留校教授拉丁文和自然哲学。 1866-1869去欧洲进修，就学于Ｈ．Ｖｏｎ亥姆霍兹等， 他是美国学院、美国艺术和科学研究院以及欧洲１４个科 学机构的院士或通信院士，并接受一些荣誉学衔和奖章。 他于１８７６年和１８７８年先后在康涅狄格科学院学报 上发表了奠定化学热力学基础的经典之作《论非均相物体 的平衡》的第一、二部分。这一长达三百余页的论文被认 为是化学史上最重要的论文之一，其中提出了吉布斯自由 能，化学势等概念，阐明了化学平衡、相平衡、表面吸附 等现象的本质。
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吉布斯—亥姆霍兹方程
• 知道一个温度下的△rGm • 求其他温度下的△rGm？ • 求助于Ｇｉｂｂｓ－Ｈｅｌｍｈ
ｏｌｚ公式
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该式是由吉布斯（Gibbs）和亥姆霍兹（Helmholtz） 各自独立证明的，故此式叫吉布斯—亥姆霍兹 （Gibbs--- Helmholtz）公式。
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吉布斯—亥姆霍兹方程
吉布斯—亥姆霍兹方程运用 自由能判据：吉布斯—亥姆霍兹公式表明，恒温 恒压下进行的化学反应的方向和限度的判据—— 自由能地变化是由两项决定：一项是焓变△H， 另一项是与熵变有关的T△S。如这两个量使△G 成为负值，则正反应是一个自发反应。因此，焓 和熵对化学反应进行的方向都产生影响，只是在 不同条件下产生的影响的大小不同而已。 通常的化学反应是在等温等压且做体积功的条件 下进行的。吉布斯—亥姆霍兹公式可以推导此条 件化学反应自发方向的判据。
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吉布斯—亥姆霍兹方程
• 若△H﹤0, △S﹥0,则△G必为负值，而焓 减、熵增，都有利于过程向正方向自发。 因此△G﹤0，必是向正向自发过程。
• 若△H ﹥0，△S ﹤ 0，则△G必为正值， 而焓增熵减都使正向不自发，因此△G﹥0， 必是正向不自发的过程，而它的逆过程 （△G﹤0）自发生的
• 若△G=0，体系处于平衡状态。
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吉布斯—亥姆霍兹方程
• 耶鲁大学（Yale University）,旧译“耶劳大书院”，是一 所坐落于美国康涅狄格州纽黑文市的私立大学，创于1701 年，初名“大学学院”（Collegiate School）。耶鲁大学 是美国历史上建立的第三所大学， 世界大学排名，仅次 于剑桥大学和哈佛大学。
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