Máy tính năng lượng tự do Gibbs là gì?
Công cụ này tính biến thiên năng lượng tự do Gibbs (\(\Delta G\)) của một phản ứng hóa học dựa trên biến thiên enthalpy (\(\Delta H\)), nhiệt độ tuyệt đối (\(T\)) và biến thiên entropy (\(\Delta S\)). Giá trị \(\Delta G\) cho biết phản ứng có thể tự diễn biến hay không ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi: \(\Delta G\) âm nghĩa là quá trình thuận lợi về mặt nhiệt động (phản ứng tỏa năng lượng tự do, exergonic), \(\Delta G\) dương nghĩa là phản ứng không tự diễn biến (endergonic), còn \(\Delta G = 0\) nghĩa là hệ đang ở trạng thái cân bằng.
Cách sử dụng
Nhập biến thiên enthalpy \(\Delta H\) theo đơn vị kJ/mol, nhiệt độ \(T\) theo kelvin (K) và biến thiên entropy \(\Delta S\) theo J/mol·K. Vì \(\Delta H\) tính bằng kilojoule còn \(\Delta S\) tính bằng joule, máy tính sẽ tự động quy đổi \(\Delta S\) sang kJ/mol·K (chia cho 1000) trước khi kết hợp các số hạng, nhờ vậy kết quả cuối cùng luôn nhất quán ở đơn vị kJ/mol.
Giải thích công thức
Phương trình cơ bản là
$$\Delta G = \Delta H - T\,\Delta S$$Số hạng enthalpy phản ánh sự trao đổi nhiệt (hình thành/phá vỡ liên kết), trong khi số hạng entropy \(T\,\Delta S\) phản ánh mức độ thay đổi của tính hỗn loạn, được nhân theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, đóng góp của entropy lớn dần lên, có thể làm đổi dấu \(\Delta G\) và thay đổi việc phản ứng có tự diễn biến hay không.
Ví dụ minh họa
Với quá trình tạo thành nước lỏng, \(\Delta H \approx -285{,}8\) kJ/mol, \(\Delta S \approx -163{,}2\) J/mol·K, tại \(T = 298{,}15\) K. Quy đổi \(\Delta S\): \(-163{,}2 / 1000 = -0{,}1632\) kJ/mol·K. Khi đó
$$\Delta G = -285{,}8 - (298{,}15 \times -0{,}1632) = -285{,}8 + 48{,}658 = -237{,}14 \text{ kJ/mol}$$Vì \(\Delta G\) âm nên phản ứng tự diễn biến.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao phải chia \(\Delta S\) cho 1000? \(\Delta S\) thường được lập bảng theo J/mol·K, trong khi \(\Delta H\) lại theo kJ/mol; phép chia này quy đổi \(\Delta S\) sang kJ/mol·K để cả hai số hạng cùng đơn vị.
\(\Delta G\) âm có ý nghĩa gì? Phản ứng giải phóng năng lượng tự do và tự diễn biến theo chiều thuận ở nhiệt độ đã cho.
\(\Delta G\) có thể đổi dấu theo nhiệt độ không? Có. Khi \(\Delta H\) và \(\Delta S\) cùng dấu, số hạng \(T\,\Delta S\) có thể chiếm ưu thế ở nhiệt độ cao hoặc thấp, làm thay đổi khả năng tự diễn biến của phản ứng.
