亥姆霍斯自由能与吉布斯自由能
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
亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能
吉布斯自由能
另外，亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能还与量子力学中的波函数和概 率密度分布函数有关。在量子力学中，波函数可以描述粒子的状态和 行为，而概率密度分布函数则描述了粒子在空间中的分布概率。通过 将波函数或概率密度分布函数引入到亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能 的定义中，我们可以得到一些有趣的结果，例如量子系统中的热力学 定律和黑洞的热力学性质等
吉布斯自由能
这个概念的提出者是美国物 理化学家约瑟夫·威廉·吉
布斯
总的来说，亥姆霍兹自由能 和吉布斯自由能分别在等温 等容和等温等压条件下描述 了系统的热力学状态。它们 都是重要的热力学函数，被 广泛应用于物理化学、化学 工程、生物工程和环境科学
等领域
在研究化学反应和相变等过 程中，亥姆霍兹自由能和吉 布斯自由能提供了重要的理 论基础。这些概念的应用有 助于我们更好地理解物质的 热力学性质以及化学反应的 平衡状态。通过研究这些热 力学函数的变化，我们可以 预测和解释许多化学现象， 进一步推动相关领域的发展
总之，亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能作为热力学中的重要概念，不 仅在化学、物理化学、化学工程等领域有着广泛的应用，还涉及到更 广泛的科学问题，如信息熵、量子力学等。对这些问题的深入研究将 有助于我们更好地理解物质的本质和变化规律，推动相关领域科学的 发展
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感谢观看
20XX年XX月
总之，亥姆霍兹自由能和吉布 斯自由能作为热力学函数的重 要组成部分，在理论和应用方 面都具有重要意义。它们不仅 是物理化学、化学工程等领域 的基础知识，还涉及到更广泛 的科学问题，为人类探索物质 世界提供了有力工具
此外，亥姆霍兹自由能和吉布 斯自由能还与信息熵有着密切 的联系。信息熵是描述随机变 量不确定性的一个度量，也可 以被看作是系统混乱度或随机 度的量度。在某些情况下，亥 姆霍兹自由能和吉布斯自由能 可以被解释为信息熵的某种形 式，这有助于我们更好地理解 这些热力学函数的内在含义和 性质
10-5 吉布斯和亥姆霍兹自由能
热力学第二定律和第三定律
吉布斯和亥姆霍兹自由能
2. 可在电池中以恒温恒压的可逆方式进行的化学反应
在等温、等压、可逆电池反应中
rG W非,max nEF
式中n为电池反应中电子的物质的量，E 为可逆电 池的电动势，F为法拉第常数。 这是联系热力学和电化学的桥梁公式。因电池对
外作功，E 为正值，所以加“-”号。
W d(U TS )
W dA （此为定义 A 的出发点）
(dA)T ,V ,W非 0 0
" " 表示可逆，平衡 " " 表示不可逆，自发
物理化学II
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热力学第二定律和第三定律
吉布斯和亥姆霍兹自由能
（三）吉布斯和亥姆霍兹自由能的统计计算
根据 S 有
U k B ln Q T
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热力学第二定律和第三定律
吉布斯和亥姆霍兹自由能
如体系在等温、等容且不作其它功的条件下
(dA)T ,V ,W非 0 0
或
(dA)T ,V ,W非 0 0
等号表示可逆过程，不等号表示是一个自发的不 可逆过程，即自发变化总是朝着亥姆霍兹自由能 减少的方向进行。这就是亥姆霍兹自由能判据。
通常反应总是在等温、等压或等温、等容条件下进 行，有必要引入新的热力学函数，利用体系自身状 态函数变化，来判断自发变化的方向和限度。
物理化学II
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热力学第二定律和第三定律
吉布斯和亥姆霍兹自由能
（一）亥姆霍兹自由能
亥姆霍兹（von Helmholz, H.L.P.,1821~1894,德国人） 定义了一个状态函数
或
(dG)T , p,W非 0 0
亥姆霍兹函数和吉布斯函数解读
自发 / dAT ,V 0 恒温、恒 容 、 W 0 平衡 自发 / 或 AT ,V 0 恒温、恒 容、 W 0 平衡
§3.7 亥姆霍兹函数和吉布斯函数
• 7.1 亥姆霍兹函数
（5）相关重要公式 ★恒温可逆过程： 即：恒温可逆过程系统亥姆霍兹函数变化等于过程的可逆功，又 称恒温过程系统的亥姆霍兹函数变化表示了系统发生恒温变化时 具有的作功能力 ★恒温恒容可逆过程：
§3.7 亥姆霍兹函数和吉布斯函数
• 7.1 亥姆霍兹函数
（1）导出过程 根据熵判据公式：
熵判据公式必须在隔离系统 中才能使用，非隔离系统则 涉及环境熵变的计算。对于 常见的封闭系统发生的恒温 恒容或恒温恒压及非体积功 为零的过程，能否有更为方 便的判据呢？亥姆霍斯函数 和吉布斯函数的引入可以解 决这个问题 （U-TS）是状态 函数的组合，仍 然具有状态函数 的性质，定义它 自发 为一个新的辅助 平衡 状态函数--亥姆 霍兹函数
☆列出题目给定的始、终态 ☆找出已知的可逆相变化 ☆加上辅助的可逆的pVT变化 苯
(l,268.2K,760mmHg)
Δ S1 恒温可逆
（3）答案： 20.1mmHg
Δ S系
苯
(s,268.2K,760mmHg)
Δ S5 恒温可逆
（2）一些近似处理方法
固
气
S1 0 S5 0 S2 S 4 蒸发 H 凝华 H T T 液 熔化 H 凝固 H T T
§3.7 亥姆霍兹函数和吉布斯函数
• 7.1 亥姆霍兹函数
（2）定义
A U TS
def
A 即为亥姆霍兹函数，又曾被称为亥姆霍兹自由能或自由能， 也曾用F 表示
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。
21吉布斯-赫姆霍兹公式
（一） 吉布斯－亥姆霍兹公式 根据定义，G=H－TS，则在等压等温条件下，状态
变化的吉布斯自由能变△GT,P为 △GT,P =△HT－T△ST 或 dGT,P =dHT－TdST 因为 dGT,P =dH–d(TS)=dH－TdS－SdT=dH－TdS
根据吉布斯自由能判据： △G=△H－T△S≤0 在不同温度下过程自发或反应自发进行的方向取决 于△H和T△S值的相对大小。
基础化学
(1)△H ＜ 0，△S＞0，即放热、熵增过程或反应，在任何温度 下均有△G＜0，正向总是自发。
(2) △H＞0，△S＜0，即吸热、熵减过程或反应，由于两个因 素都对反应自发进行不利，在任何温度都有△G＞0，正向总 是不自发。
(3)△H＜0，△S＜0，即放热、熵减过程或反应，低温有利于 正向自发。
(4)△H＞0，△S＞0，即吸热、熵增过程或反应，高温有利于 正向自发。 基础化学
根据吉布斯公式：ΔG = ΔH – TΔS，以 及自由能判据，可得如下结论：
△H
△S
-
+
-
-Leabharlann ++
+
-
自发反应的条件 任何温度： △G<0 低温： △G<0 高温： △G<0 任何温度： 不自发
基础化学
只有△H和△S这两个因素对自发性的影响相反 时，才可能通过改变温度，来改变反应自发进行 的方向，而△G=0时的温度，即反应平衡时的温 度，称为转变温度：
T转变= H
S
在放热熵减情况下，这个温度是反应能正向自发 的最高温度；在吸热熵增情况下，这个温度是反 应能正向自发的最低温度。
3-2-4_Helmholtz和Gibbs自由能及其判据
§3.4 Helmholtz和Gibbs自由能及其判据用熵判据判断过程能否自动进行以及进行到什么程度时，必须是隔离系统，但实际系统大多不是隔离系统。
这时若用熵判据来判断过程的方向除了要计算系统的熵变以外，还必须计算环境的熵变，除等温极大热源外，变温热源的环境熵变计算很麻烦，有时甚至不可能计算。
在实际生产过程中，大多数化学反应或相变化的过程都是在等温、等容或等温、等压条件下进行的，若能利用这种条件下系统自身状态函数的变化值来判断反应的方向和限度，则要比熵判据方便得多。
类似于热力学第一定律为了处理热化学的方便定义了焓那样，Helmholtz和Gibbs 在熵的基础上引出了另外两个状态函数－Helmholtz自由能和Gibbs自由能，得出了两个新的判据，从而避免了单独计算环境熵变的麻烦。
一、Helmholtz自由能及其判据1. Helmholtz自由能根据第一定律d UU=δQQ+δWW⟹δQQ=d UU−δWW和第二定律d SS≥δQQTT s ur，整理得d SS≥d UU−δWW TT sur⟹−(d UU−TT s ur d SS)≥−δWW当TT＝TT1＝TT2＝TT s ur，即系统的始态、终态温度与环境的温度相等，得−d(UU−TTSS)≥−δWW亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821～1894，德国人）定义了一个状态函数AA≝UU−TTSS，A 称为亥姆霍兹自由能(Helmholtz free energy)，是状态函数，具有容量性质。
−d AA≥−δWW或−∆AA≥−WW一个封闭系统在等温过程中，亥姆霍兹自由能的减少等于或大于系统对外所做的功值；或在等温过程中，封闭系统对外所作的功等于或小于系统Helmholtz 自由能的减少值。
（1）(−d AA)TT,R=−δWW m ax在等温、可逆过程中，系统对外所作的最大功等于系统Helmholtz自由能的减少值，所以把A 称为功函（work function）。
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2.4 亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能
2.4.1 为什么引入亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能
从热力学第一定律和第二定律，我们分别得到了两个状态函数----内能和熵，为便于处理热化学问题，定义了辅助状态函数----焓。
并得到了熵判据：T
Q dS δ≥
但用熵判据判断过程的方向时,必须是隔离体系，或者是考虑环境的封闭体系,这很不方便。
因此,有必要引入新的函数,利用体系自身的某种变化值判断其自发变化的方向,而不用考虑环境。
为此亥姆霍兹和吉布斯分别定义了两个新的函数，这两个函数和焓一样，都是人为定义的辅助函数，不是热力学定律的直接结果,但它们都是体系自身的性质,是状态函数。
结合第一定律W Q dU δδ+=和第二定律T Q dS δ≥,得T
W dU dS δ-≥,因T ＞0，故有：W dU TdS δ-≥，该式在不同的条件下,有不同的表现形式。
2.4.2.亥姆霍兹自由能和亥姆霍兹自由能判据
在等温下,0=dT ,故: )(TS d TdS =,则有:
W )TS U (d δ-≥--
令： TS U F -≡ 或 TS U A -≡————亥姆霍兹自由能
则: W dA δ-≥- 或 W dA T δ≤
由于U 和TS 均为状态函数,故A 也是状态函数,称为亥姆霍兹自由能或亥姆霍兹函数,也称功焓.
此式的意义是：在等温可逆过程中,封闭体系的亥姆霍兹自由能的减少等于体系对外所得做的最大功（含体积功和非体积功）。
故亥姆霍兹自由能可视为等温条件下体系作功的本领。
这是该函数被称为功焓的原因。
若过程不可逆，则体系亥姆霍兹自由能的增加小于体系所获得的功。
因而,可用该式来判断过程的方向性。
若体系经历一个等温等容过程,则:
f f f e W W pdV W W W dA δδδδδ=+-=+=≤
即: f W dA δ≤.这说明在等温等容过程中,体系亥姆霍兹函数的增加小于等于体系所获得
的非体积功，或体系亥姆霍兹函数的减少大于等于体系对外所做的非体积功(f W dA δ-≥-)。
若体系在等温等容且不做其它功的情况下，则：0≤∆A
——亥姆霍兹自由能判据。
因此，亥姆霍兹自由能又称为等温等容位。
2.4.3 等温等压系统----吉布斯自由能及吉布斯自由能判据
通常体系所作的功包含一切功,一般可分为体积功和非体积功,在等温、等压下,据第一定律和第二定律有：
f W )TS pV U (d δ-≥-+- 或：f W )TS H (d δ-≥--
令： TS H G -≡ 则得：f W dG δ-≥-或 f W dG δ≤
上式中G 叫做吉布斯自由能,亦称吉布斯函数,因H,TS 均为状态函数,故G 也是状态函数. 其意义是:在等温等压可逆条件下的封闭体系中,环境对体系所做的最大非膨胀功等于其吉布斯自由能的增加. 若过程不可逆,则所做的非膨胀功小于体系的吉布斯自由能的减少.
若体系在等温等压且不做其它功的条件下,则:0≤∆G 。
等号适用于可逆过程；不等号适用于自发的不可逆过程.体系不可能自发发生0>∆G 的变化。
由于通常化学反应大都是在等温等压下进行的,故上式更具特色.
dG ≤0 可逆不可逆
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛无非体积功恒温恒压
——吉布斯自由能判据
2.4.4判断过程方向及平衡条件的总结
（1）熵判据
对隔离体系(孤立系统): ⎪⎩
⎪⎨⎧<=>不可能平衡不可逆
000V ,U dS )(
这说明,隔离体系中,变化总是向熵增加的方向进行的.
对非隔离体系: ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧<=>不可能平衡
不可逆T
Q T
Q T Q dS V U δδδ,)( 注意:不能用熵判据的"不可逆"结论获得过程是否自发的结论.因为熵判据没有排除环境干预(对体系做功)的可能,只要过程没有达到平衡,则其熵就是增加的.
(2) 功焓判据(0,0==dV dT ):
⎪⎩
⎪⎨⎧>=<不可能平衡自发f f f V T W W W dA δδδ,)( 或 )0(000)(,=⎪⎩⎪⎨⎧>=<f V T W dA δ不自发平衡自发
(3) 自由能判据(0,0==dp dT ):
⎪⎩
⎪⎨⎧>=<不可能平衡自发f f f p T W W W dG δδδ,)( 或 )(0000=⎪⎩⎪⎨⎧>=<f p ,T W )dG (δ不自发平衡自发
所谓“自发”就是有“可能”自动发生.在热力学上,凡有“可能”自发进行的过程,必为“不可逆”过程,而不可逆过程则只是有自发进行的趋势和可能。
所谓“平衡”是指热力学平衡.即0=f W 条件下的可逆.若0≠f W ,即体系与环境间有功的交换,但若推动力无限小,则过程仍然是可逆的,又因有功的交换,体系内部却并不平衡。
即当0=f W 时,“平衡”与“可逆”是一致的;但若0≠f W ,则“可逆”的过程并不能达到“平衡”.亦即达平衡的体系,其过程必定可逆,而可逆的过程不一定已达平衡 。
“不可能”与“不自发”的含义是一致的,它是指若环境不给体系提供任何能量帮助,体系不可能自动地发生指定方向的变化。
应该注意到: ΔA >0或ΔG >0的过程也是可以发生的,只是不能自动发生,如水的电解。