自由能的概念，吸能反应和放能反应

自由能的概念

在恒温和恒压下的热力学系统中，能够进行的功是由其自由焓来定义的。吉布斯自由能（Gibb’s free energy）、吉布斯函数（Gibb’s function）和吉布斯能量（Gibb’s energy）也可以用来描述这一现象。符号 G 用于表示吉布斯自由能。通常，其单位为焦耳（Joules）或千焦耳（Kilojoules）。对于一个封闭系统而言，其吉布斯自由能代表了该系统能够产生的最大能量。1876年，美国科学家乔赛亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）在实验中发现了这一性质，这些实验旨在预测不同系统结合时的行为，以及某个过程是否能够同时且自发地发生。当热力学系统拥有自由能时，它就可以利用这种能量来做功。这种能量在以前被称为“可用能量”（available energy）。

吉布斯自由能等于系统的焓减去温度再减去熵的乘积。其表达式如下：

G = H – TS

在这里，

自由吉布斯能 = G

焓（Enthalpy）就是H。

温度为 T。

熵被定义为 S。

G = U + PV – TS

在这里，内能用 U 表示（国际单位制中的单位是焦耳）。

压力用符号 p 表示，其国际单位制（SI）单位是帕斯卡（pascal）。

V 是一个具有国际单位制（SI）单位的体积量——具体来说，它是边长为 m 的立方体所占据的体积。

温度的国际单位制（SI）单位是开尔文（kelvin），在这里它被表示为 T。

S代表熵（entropy），其国际单位制（SI）单位是开尔文/焦耳（kelvin/joule）。

吸能反应和放能反应

在热化学或物理化学中，化学反应或过程被分为吸能反应（endergonic）和放能反应（exergonic）。这两个术语都描述了反应过程中能量的变化。放热反应（exothermic）和吸热反应（endothermic）是相互关联的，但“吸能”和“放能”这两个术语指的是所有类型的反应，而“放热”和“吸热”则特指那些依赖热源的反应。

任何释放能量的化学反应，在其化学方程式中都会表现为一个负数。
∆G < 0 表示这些反应会释放能量。
当反应产物的自由能低于反应物的自由能时，这部分原因在于反应过程中释放的能量。
一个具有负 ∆G 值的反应，因此会产生自由能，这种反应被称为放能反应。这类反应会从系统中释放能量。
除了被称为自发反应外，这些反应也可以在不需要添加外部能量的情况下发生。
对于生物学家来说，研究能够释放自由能的化学反应至关重要，这样他们就可以利用这些能量在细胞内部完成各种生物过程。
我们必须区分自发反应和那些立即发生的反应。
在我们的日常生活中，自发的反应并不是突然或迅速发生的。
在锈蚀过程中，铜和铁会以缓慢、渐进的方式发生反应。
需要能量输入的化学反应将具有正的 ∆G 值，而释放能量的化学反应则相反。
在这种情况下，产物中的自由能比反应物中的自由能更高。
因此，这些分子具有储存能量的能力。
这里描述的反应都是非自发的，它们被称为吸能反应。
吸能反应在没有自由能的情况下无法自行发生。

放能反应会降低系统的自由能，而吸能反应会增加系统的自由能。放能反应会释放能量，吸能反应则会消耗能量。

吸能反应

或者，吸能反应也可以被称为“不利反应”或“非自愿反应”。在这种反应中，你必须消耗的能量比你从中获得的能量要多。
该反应所需的能量由环境提供。
形成化学键的反应所产生的化学键比断裂化学键的反应要弱。
这会导致系统的自由能增加。吸能反应的吉布斯自由能（ΔG）变化为正值（大于零）。
这会降低熵（S）。
吸能反应不会自发发生。
光合作用反应是一个吸热反应，冰融化成液态水也是一个吸热反应。
这些反应会吸收热量，从而降低周围环境的温度。

放能反应

放能反应也可以被称为自发反应或有利的反应。
在能量释放的反应过程中，能量会被释放到周围的空间中。
由于这一反应，形成了比反应物本身更强的化学键。
自由能的量减少了。在放能反应过程中，吉布斯自由能（G）会降低。
S代表反应的熵（entropy）。也可以理解为，系统的无序程度或随机性增加了。
与酶促反应不同，放能反应会自发地开始。
例如，钠与氯反应生成食盐（这是一个放热反应）；燃烧过程；以及化学发光（产生光）都属于放能反应的范畴。