自由能、焓与熵之间的关系；氧化还原电位

自由能、焓与熵之间的关系

焓

焓变等于在恒压条件下进行某过程时吸收或释放的热量。在某些情况下，焓被称为“热含量”；不过，“焓”这个术语比较晦涩且不常见，所以我们通常使用“焓”这个词。从词源上看，“熵”和“焓”这两个词都源自希腊语，分别意为“转变”和“加热”。通常情况下，“熵”的发音会重读第一个音节，而“焓”的发音则重读第二个音节。

H = U + PV

整个系统的焓表示为 H。

体积 = V

压力 = P

当温度和压力保持恒定时，吉布斯自由能（Gibbs free energy），也称为吉布斯函数（Gibb's function）或吉布斯能量（Gibb's energy），被用来衡量热力学系统中可以完成的工作量。符号“G”代表吉布斯自由能。常用的计量单位是焦耳（Joules）或千焦耳（Kilojoules）。一个封闭系统可以被认为是具有最大可释放的吉布斯自由能的。为了预测这些系统结合后的行为，并确定某个过程是否能够自发进行或同时发生，科学家乔赛亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）在1876年进行了多项实验并确定了这一性质。热力学系统的吉布斯自由能可以定义为系统中存在的、可供利用的可做功能量。此前，这个术语被称为“可用能量”（available energy）。

吉布斯自由能等于焓减去温度与熵的乘积。换句话说；

G = H – TS

“Where...”

“熵就是S。”

温度用符号 T 表示。

G 是吉布斯能量（Gibb’s energy）。

H代表焓（enthalpy）。

对于一个自发过程，根据热力学第二定律，宇宙的熵总是会增加的。
熵的变化由G系数决定。
在恒定温度和压力条件下进行的反应中，ΔG（自由能变化）才有实际意义。该反应在室温下开始和结束，并且在整个过程中系统都处于与大气相通的状态（即压力保持恒定）。
某种特定的化学变化可以通过 ΔG（自由能变化）这一单一变量来热力学地确定。如果反应物的自由能大于产物的自由能，那么系统的熵（或整个宇宙的熵）会自动增加，因此反应会自发进行；反之，当产物的自由能小于反应物的自由能时，反应就会发生。整个宇宙的熵（ΔS_universe）等于系统的熵（ΔS_system）与环境熵（ΔS_environment）之和。
如果 ΔG 为负值，该过程会自发进行，这种过程被称为放能反应（exergonic reaction）。
为了确定系统的自发性（即系统是否能够自然地、无需外部干预地达到某种状态），系统的温度是一个非常重要的参考指标。

在预测自发性方面，自由能变化方法比熵变化方法更优，因为前者仅需要系统的自由能变化数据，而后者还需要考虑系统与周围环境之间的熵变化。

氧化还原电位

氧化还原电位（Redox Potential）是衡量一种物质中氧化性和还原性达到平衡程度的具体指标，例如在含有氧化剂和还原剂的混合物中。氧化还原电位可以表示如下：

物质在环境条件下所表现出的化学反应性。
可以预测，多种物质和系统都具有防腐蚀性能。

氧化还原反应被称为“redox”反应。

氧化还原电位（Redox potential）是根据电化学平衡来衡量一个系统氧化还原能力的指标。某种物质的氧化电位决定了它吸收氧气、去除氢原子以及释放电子的能力。当某种物质具有较低的还原电位时，电子会被氢原子所吸引。

通过增加氧化还原电位并使其变为正值，它具备了更强的氧化能力。从定量角度来看，当其电位值下降时，其还原能力会增强。液体的pH值可以用来表示这种电位变化。在氧化还原反应中，反应物中的成分会被氧化，而工艺中的成分则会被还原，且这两种反应是等量的。例如，还原反应具有负的氧化还原电位作为驱动力；而正的氧化还原电位则是氧化反应的驱动力。除了氧化和还原之外，腐蚀过程还涉及电化学活性，这种活性可能导致腐蚀或抗腐蚀性。