Mục lục bài họcĐang ở d08-b1
← AP Chemistry
0/22 bài đã học xong
Chương 9 · Unit 9 — Applications of Thermodynamics · Bài 1/2 của chương · bài 21/22 của AP Chemistry

Entropy and Gibbs Free Energy

Entropi và năng lượng tự do Gibbs
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Entropy: counting the ways

Entropy $S$ measures the number of ways energy and matter can be arranged. It increases when:

  • solid → liquid → gas (by far the biggest jump)
  • the number of gas molecules increases
  • a solid dissolves
  • temperature rises

Gibbs free energy decides spontaneity

$$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$$
  • $\Delta G<0$ → spontaneous (thermodynamically favoured)
  • $\Delta G>0$ → not spontaneous; the reverse is
  • $\Delta G=0$ → at equilibrium

"Spontaneous" says nothing about speed. Diamond turning into graphite has $\Delta G<0$ and still takes geological time.

Giải thích tiếng Việt

Entropi $S$ đếm số cách sắp xếp năng lượng và vật chất. Nó tăng khi: rắn → lỏng → khí (bước nhảy lớn nhất), số phân tử khí tăng, chất rắn tan ra, hoặc nhiệt độ tăng.

Mẹo nhanh cho đề AP: đếm số mol khí hai vế. Nhiều khí hơn ở vế phải ⇒ $\Delta S>0$.

Năng lượng tự do Gibbs quyết định phản ứng có tự diễn biến không:

$$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$$
  • $\Delta G<0$ ⇒ tự diễn biến
  • $\Delta G>0$ ⇒ không tự diễn biến, chiều ngược lại mới tự diễn biến
  • $\Delta G=0$ ⇒ đang ở cân bằng

“Tự diễn biến” KHÔNG có nghĩa là nhanh. Kim cương chuyển thành than chì có $\Delta G<0$ mà mất hàng triệu năm. Nhiệt động nói “có xảy ra không”, động học nói “bao lâu” — hai câu hỏi tách rời.

ΔS ΔH + − − + ΔH < 0, ΔS > 0 LUÔN tự diễn biến ΔH > 0, ΔS > 0 chỉ khi T CAO ΔH < 0, ΔS < 0 chỉ khi T THẤP ΔH > 0, ΔS < 0 KHÔNG BAO GIỜ ΔG = ΔH − TΔS. Hai ô vàng là chỗ NHIỆT ĐỘ quyết định — đó cũng là hai ô mà đề AP hỏi nhiều nhất.
Bốn trường hợp dấu, và vai trò của nhiệt độ. Ô xanh: toả nhiệt và tăng entropi — cả hai yếu tố cùng đẩy nên luôn tự diễn biến. Ô đỏ: cả hai cùng cản nên không bao giờ. Hai ô vàng mới là chỗ đáng học — ở đó $\Delta H$ và $T\Delta S$ kéo ngược nhau, nên chính nhiệt độ quyết định bên nào thắng. Đề AP hỏi hai ô này nhiều nhất, thường dưới dạng “tính nhiệt độ chuyển tiếp”.
Ví dụ — tìm nhiệt độ chuyển tiếp

Phản ứng có $\Delta H=+178$ kJ/mol và $\Delta S=+161$ J/(mol·K). Trên nhiệt độ nào thì nó tự diễn biến?

Giải.

Cả $\Delta H$ và $\Delta S$ đều dương ⇒ rơi vào ô vàng “chỉ khi $T$ cao”.

Ngưỡng là chỗ $\Delta G=0$:

$$T=\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{178\,000\ \text{J/mol}}{161\ \text{J/(mol·K)}}\approx1\,106\ \text{K}$$

Trên $1\,106$ K thì $T\Delta S$ thắng $\Delta H$ ⇒ $\Delta G<0$ ⇒ tự diễn biến.

Chú ý đơn vị: $\Delta H$ tính bằng kJ còn $\Delta S$ bằng J — phải đổi về cùng một đơn vị trước khi chia, nếu không sai đúng $1000$ lần.

(Đây chính là phản ứng nung vôi $\text{CaCO}_3\to\text{CaO}+\text{CO}_2$, và $1\,106$ K $\approx833°$C giải thích vì sao lò nung vôi phải đốt nóng đến vậy.)

Bẫy hay mất điểm — $\Delta H$ cho bằng kJ/mol còn $\Delta S$ cho bằng J/(mol·K) — đây là bẫy đơn vị bị dính nhiều nhất cả môn. Và $T$ luôn phải là kelvin.
Phải nhớ — $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$. Âm là tự diễn biến, không nói gì về tốc độ. Hai ô “tùy nhiệt độ” là chỗ đề hỏi.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 9 — Applications of Thermodynamics gồm 14 câu trắc nghiệm và 2 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →
← Bài trướcTitration CurvesBài sau →Free Energy, K and Electrochemistry