化學原理啟迪244
1. 到目前為止，我們已經知道如何使用「宇宙亂度變化ΔSuniv」預測自發性反應。現在我們將定義另一個與自發性反應有關的熱力學函數，這個函數特別能夠解決深受溫度影響的自發性反應。
2. 與自發性反應有關的另一個狀態函數稱為自由能free energy(G)，定義是
G＝H－TS
註：H是熱含量（焓）；T是絕對溫度；S是亂度（熵）
3. 在恆溫下進行的反應程序，「自由能的改變度」是：
ΔG＝ΔH－TΔS
特別留意，這個方程式所有的數值都是指「系統」，所以如果方程式沒有任何其它的註記，這個自由能變化數值指的是「系統」的「自由能」。
4. 為了瞭解自由能方程式與自發性反應的關係，我們把等式兩邊的數值÷T（溫度），得到
－ΔG/T＝－ΔH/T＋ΔS
5. 還記得，在恆溫與恆壓下
ΔSsurr＝－ΔH/T
6. 所以我們可以把公式調整寫成
－ΔG/T＝－ΔH/T＋ΔS＝ΔSsurr＋ΔS＝ΔSuniv
7. 我們因此得到一個公式，在恆溫恆壓下，「宇宙亂度變化」等於負的「自由能變化÷溫度」
ΔSuniv＝－ΔG/T
8. 這個結論非常重要，它指出反應程序在恆溫與恆壓中進行時，如果自由能變化ΔG是負的－，就會自發性產生；意思就是，反應程序的自由能變化下降（－ΔG代表＋ΔSuniv）就會自發性地朝產物方向進行反應。
9. 現在我們有2個函數可用來預測自發性反應：一、宇宙的亂度，適用於所有反應程序；二、自由能，適用於恆溫恆壓下的反應。因為有許多化學反應都是在恆溫恆壓下進行，所以化學家經常用自由能函數。
10. 讓我們來使用自由能方程式去預測冰融化的自發性反應：
ΔH°＝6.03×103J/mol，並且ΔS°＝22.1J K－1mol－1
11. 當溫度分別是－10℃、0℃、10℃時，宇宙亂度變化ΔSuniv和自由能亂度變化ΔG°如下表
12. 這些數據預測，在10℃的溫度，冰變成水的反應程序是自發性的；因為「宇宙的亂度變化ΔSuniv」是正數，「自由能變化ΔG°」是負的，所以冰在10℃會自然融解。相反的情況是－10℃的溫度，水會自發性的結冰。
13. 為什麼會這樣？因為這個反應程序的系統的亂度變化ΔSsys(ΔS°)和周遭的亂度變化ΔSsurr是相反的；系統亂度變化ΔSsys增加（冰吸收能量），有利於冰的融解，代表系統進行吸熱反應程序；周遭亂度變化ΔSsurr增加，有利於水的凍結（水釋放能量），因為它代表系統進行散熱反應程序。
14. 溫度低於0℃時，物質狀態的改變朝向散熱的方向，因為周遭亂度變化ΔSsurr大於系統亂度變化ΔSsys。但是溫度高於0℃的時候，反應朝向增加系統亂度變化的方向移動（例如冰的融解），因為系統亂度變化ΔSsys大於周遭亂度變化ΔSsurr。
15. 在0℃時二個相反的能量流動剛好平衡，而且這二種狀態並存，沒有特別的驅動力把反應方向推向某一個方向，意思是在0℃時水與冰共存，使水變成冰的力量跟使冰溶解成水的力量是一樣的。
16. 特別留意，在0℃時宇宙的亂度變化ΔSuniv等於0，檢驗自由能亂度變化ΔG°，我們得到同樣的結論。
17. 在－10℃，ΔG°是正數，因為ΔH°大於TΔS°（不會自發性反應）；在10℃，ΔG°是負數，ΔH°小於TΔS°（會自發性反應、增加亂度）。
18. 在0℃時，ΔH°等於TΔS°，並且ΔG°＝0。這代表固體的H2O和液態的H2O在0℃時自由能一樣。（ΔG°＝G(l)－G(s)），系統處於平衡狀態。
19. 檢驗ΔG的行為，我們能瞭解溫度與自發性的依賴關係，在恆溫恆壓下的反應程序，自由能變化是
ΔG＝ΔH－TΔS
20. 如果ΔH和ΔS對逆反應比較有利，那麼能不能產生自發性反應，關鍵就在溫度。散熱反應方向在低溫中比較容易進行。
21. 舉例來說，以下這個反應程序：
H2O(s)→H2O(l)
ΔH和ΔS都是正數（反應進行方向會吸熱，所以反應進行後，物質的熱含量變化是增加，並使物質結構分解，亂度增加）。
22. 系統的天性是降低能量，這個天性跟它的另一個天性相反，系統也追求增加移動位置機率（增加亂度）。
23. 在低溫時，反應的進行主要是ΔH的因素在主導（在低溫時如果冰無法融解是因為水分子彼此之間的引力太強，引力的能量稱為「熱含量」）；在高溫時，反應的進行主要是ΔS的因素在主導（在高溫時，冰能夠溶解，主要是周遭灌進來的能量瓦解了水分子彼此之間的引力）。
24. 各種情況摘要如下表
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》
徐弘毅：
1. 亂度是什麼？「亂度」是一種讓物質不斷分解、瓦解的力量，使每個原子、分子愈來愈獨立自由的力量。
2. 一個「物質」如果不斷地瓦解、分解，組成的分子愈來愈分散、獨立、自由，那這個物質的「系統亂度」就是增加的；如果這個「物質」周遭環境的其他物質，也愈來愈瓦解，每個分子愈來愈分散、獨立、自由、活潑，那就是環境的「周遭亂度」是增加的。
3. 一個「物質」會不會跟「周遭環境的物質」自發性地進行反應呢？要觀察「宇宙亂度」有沒有持續增加，「宇宙亂度」增加就代表會產生自發性的反應。
4. 什麼是宇宙亂度？「宇宙亂度」是「系統的亂度」加「周遭的亂度」ΔSuniv＝ΔSsys＋ΔSsurr。
5. 什麼是自由能？一份物質「系統的自由能」是「系統的焓」減掉「溫度×系統的亂度」G＝H－TS。「系統的自由能變化」是「系統的焓變化」減「溫度×系統的亂度變化」ΔG＝ΔH－TΔS。
6. 系統有二種能量：一個是「焓」，另一個是「亂度」。「系統的焓」是組成物質的分子互相吸引、凝聚在一起的力量，也是它維持現狀的力量；「系統的亂度」是組成物質的分子彼此分開、瓦解、分散、追求獨立自由的力量，這股力量深受溫度大小的影響；所以分散瓦解的力量是把「系統的亂度」乘上「溫度」。
7. 所以，「系統的焓變化」與「溫度×系統的亂度變化」相減，就是物質的組成分子「互相吸引維持現狀的力量」減掉「分散改變的力量」。
8. 「自由能變化ΔG」變大、是正數，代表組成物質分子互相吸引的力量比較大，物質會維持原本的狀態，不會有什麼變化；「自由能變化ΔG」變小、是負數，代表組成物質彼此分開、瓦解、獨立的力量比較大，物質會自發性地產生化學變化。
9. 一個物質系統到底會不會自發性地進行反應？可以看二個指標：一、它的宇宙亂度變化有沒有增加？如果有增加、是正數，代表這個系統物質與周遭之間會自發性地起化學反應，所以宇宙亂度才不斷地增加。
10. 二、物質系統的自由能變化有沒有下降？如果有下降、是負數，代表這個系統物質會自發性地起化學反應，才會使「維持物質原狀的凝聚力量」小於「改變物質現狀的瓦解力量」。
11. 什麼是「社會的亂度」？一個國家的言論自由、新聞自由愈來愈進步，每個人都說出內心話，互相刺激，表面上衝突比較多，社會的亂度變大、變亂了，實際上每個人更瞭解社會真實，更懂得尊重彼此的獨立性，個人愈來愈獨立自主，社會也變得比較理性。
12. 一個社會的亂度，包含「系統的亂度」與「周遭的亂度」。如果學校教育系統不再只要求學生死背書，重視五育均衡並重，培養出來的學生自由思想、能力多元，不僅具有一技之長，也能夠演奏樂器、參與運動競賽……，這些學生畢業後到各行各業（周遭）工作，帶入新的觀念與作法，成為各個產業創新的來源（增加周遭亂度）。
13. 他們也會成為音樂活動與體育運動的消費者，帶動學校教育系統以外的文化產業（周遭亂度）的發展，最後，社會的整體文化（宇宙亂度）也會變得多元。社會的「宇宙亂度」因為教育「系統的亂度」提高而增加。
14. 自由能英文是free enengy，實際翻譯上應該稱為「約束自由的能力」。一個國家什麼樣的力量在約束人民的自由呢？一、法律。二、獨裁者。三、好逸惡勞的生活習慣。四、知識程度。社會自由能減少或消除，百姓才能自由、獨立、好學、尊重人權。
15. 法律雜亂無章、互相矛盾衝突、沒有人權保障，會造成百姓的不自由、處處受限；國家領導人愈獨裁，愈受到百姓的盲目愛戴，也會造成百姓養成依賴性與思想的不自由；人民因為好逸惡勞、不守信用的關係，導致在各領域上都不專業，各種技藝與學術的學習都粗製濫造，就會導致經濟發展的不自由，當然也是人民文明程度的不自由；所有的人類都一樣，只要知識愈貧乏，生活空間與心胸就會愈狹窄、愈不自由。
16. 自由能是系統內分子的「凝聚的力量」減掉「分散的力量」。社會的自由能必須要變成負數，讓國民獨立自主的力量大於政治力量，這才是民主國家；台灣最近二十年推動民主化，廢除戒嚴法、廢除刑法一百條、廢除萬年國會、廢除警備總部、總統直選、開放新聞自由……，這是減少法律與獨裁者對人民的約束。
17. 但是長期以來政府的行政效能不彰、國會制訂的法律不完備、司法判案多重標準，並且台灣各大學的學術水準無法超越美國一流大學，政務官智能程度不是國際一流的水準……，這些缺點限制了台灣整體國力的創新發展、降低台灣在國際社會自由競爭的能力。
18. 如何提高國家的競爭力？必須降低壓抑國民自由競爭的負面力量。首先，一、國會議員必須有精密思考與立法效率，制訂完善的法律，讓台灣擁有世界一流的公投法、財產來源不明罪法、法官法、保障弱勢農民權益的土地徵收法案……；破除法律對人民自由發展的限制。
19. 二、國民黨的「黨產」歸還國家，讓所有的政黨公平競爭，這樣就不會發生黨產包養名嘴、學者、主播、媒體主管的問題，不會出現萬民擁戴的獨裁者。
20. 三、公務員要成為全民勤奮好學的典範，政府各部會的「行政效率」要通過國際ISO認證，公務員升等要依據他們的績效與職業證照。
21. 四、大學的學術水準必須提升，校長、教授必須成為學生五育均衡並重的典範，淘汰沒有國際學術地位的教授，聘請國際一流的大師來台灣授課，把經營不良的私校賣給國際一流大學，像是哈佛大學當分校，開放學費自由化，這樣讓台灣就會有許多大學學術水準超越日本與美國一流大學。
22. 知識就是力量，國民有健康的體能、鑑賞藝術的能力與頂尖的專業技能，社會就會自發性變得理性，國家也會自發性地愈來愈有國際競爭力。
相關熱力學原理,寫得淺顯易懂,太受用了,謝謝你.希望能多發佈相關資訊,感謝.
回覆刪除太感謝你了~
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