בפיזיקה, פוטנציאל כימי (מסומן בדרך כלל באות ) הוא כמות האנרגיה שיש להשקיע על מנת להוסיף חלקיק למערכת קיימת בטמפרטורה כלשהי.
לעיתים קרובות מתבלבלים בין פוטנציאל כימי לאנרגיית פרמי שהיא האנרגיה של רמת האנרגיה המאוכלסת הגבוהה ביותר במערכת פרמיונים בטמפרטורת האפס המוחלט.
הגדרת פוטנציאל כימי, דרך אנרגיה חופשית של הלמהולץ, נתונה על ידי:
כאשר:
- היא הטמפרטורה.
- נפח המערכת.
- מספר החלקיקים.
- אנרגיה חופשית של הלמהולץ.
הגדרת הפוטנציאל הכימי, דרך האנרגיה של המערכת, היא:
כאשר S היא האנטרופיה של המערכת.
רקע
חלקיקים נוטים לנוע מפוטנציאל כימי גבוה יותר לפוטנציאל כימי נמוך יותר. במובן זה, הפוטנציאל הכימי הוא הכללה של "הפוטנציאלים של הפיזיקה" כמו הפוטנציאל הכובדי. כאשר כדור מתגלגל במורד גבעה, הוא נע מפוטנציאל כובדי גבוה יותר (אנרגיה גבוהה יותר או פוטנציאל גבוה יותר לבצע עבודה) לפוטנציאל כובדי נמוך יותר. באותו אופן, כאשר מולקולות נעות, מגיבות, משנות מצב צבירה וכו', הן תמיד נוטות לשנות את מצבן מפוטנציאל כימי גבוה לפוטנציאל כימי נמוך, ומשנות בכך את מספר החלקיקים בכל רמת פוטנציאל, שהוא משתנה צמוד (conjugate variable) לפוטנציאל הכימי.
הדוגמה הפשוטה ביותר היא של מערכת של מולקולות שמפעפעות בסביבה הומוגנית. במערכת כזאת, המולקולות נוטות לנוע מאזורים של ריכוז גבוה לאזורים של ריכוז נמוך, עד אשר בסופו של דבר הריכוז יהיה זהה בכל מקום. ההסבר המיקרוסקופי לכך מתבסס על התאוריה הקינטית והתנועה האקראית של מולקולות. אף על פי כן, פשוט יותר לתאר את התהליך במונחים של פוטנציאלים כימיים: בטמפרטורה נתונה, למולקולה יש פוטנציאל כימי גבוה יותר באזור בעל ריכוז גבוה, ופוטנציאל כימי נמוך יותר באזור בעל ריכוז נמוך. תנועה של מולקולות מפוטנציאל כימי גבוה לפוטנציאל כימי נמוך מלווה בשחרור (פחת) אנרגיה חופשית. לפיכך, תנועה זאת היא תהליך ספונטני. מבחינה אונטולוגית, מצב של ריכוז גבוה של מולקולות בתחום נתון הוא מלכתחילה מלאכותי באופיו ולא "טבעי", ולכן נכון קונספטואלית לייחס גודל כמו פוטנציאל לאוסף מולקולות שהגיע למצב מסוים בצורה מעושה.
דוגמה אחרת, המבוססת לא על ריכוז אלא על מעבר פאזה, היא כוס של מים נוזליים עם קוביות קרח בתוכה. מעל 0 מעלות צלזיוס, למולקולת H2O שנמצאת בפאזה הנוזלית (מים נוזליים) יש פוטנציאל כימי נמוך יותר מאשר מולקולת מים בפאזה המוצקה (קרח). כאשר מקצת מהקרח נמס, מולקולות H2O משנות מצבן ממוצק למצב נוזל בו הפוטנציאל הכימי שלהן נמוך יותר, כך שקוביות הקרח מתכווצות בהדרגה. מתחת ל-0 מעלות צלזיוס, למולקולות שבפאזת הקרח יש פוטנציאל כימי נמוך יותר, כך שקוביות הקרח גדלות. בטמפרטורה של נקודת ההתכה, 0 מעלות צלזיוס, הפוטנציאלים הכימיים במים ובקרח משתווים; קוביות הקרח לא גדלות או מתכווצות, והמערכת נמצאת בשיווי משקל.
פוטנציאלים כימיים הם חשובים בהיבטים רבים של כימיה של מצבי שיווי משקל, כמו התכה, רתיחה, התאיידות, מסיסות, אוסמוזה, וכן ביישומים כמו כרומטוגרפיה. בכל מקרה ישנו קבוע אופייני שהוא פונקציה של הפוטנציאלים הכימיים של שני האובייקטים שנמצאים בשיווי משקל. באלקטרוכימיה, יונים לא תמיד נוטים לנוע מפוטנציאל כימי גבוה לנמוך, אבל הם תמיד נעים מפוטנציאל אלקטרוכימי גבוה לנמוך. הפוטנציאל האלקטרוכימי מאפיין באופן מלא את כל ההשפעות על תנועת היון, בעוד הפוטנציאל הכימי כולל הכל פרט לכוח החשמלי.
דוגמאות
כאשר:
- היא הטמפרטורה.
- נפח המערכת.
- מספר החלקיקים, מסתם.
- קבוע פלנק.
- קבוע בולצמן.
- עבור גז אידיאלי של בוזונים בטמפרטורה אפס הפוטנציאל הכימי שווה לאנרגיית רמת היסוד, זאת כיוון שכל חלקיק שייכנס למערכת בטמפרטורה אפס ישב ברמת היסוד. לעומת זאת עבור גז אידיאלי של פרמיונים בטמפרטורה אפס, הפוטנציאל הכימי שווה לאנרגיית פרמי (), זאת כיוון שבגלל עקרון האיסור של פאולי פרמיונים לא יכולים לאכלס את אותו מצב קוונטי, ולכן ייכנסו למצב הפנוי בעל האנרגיה הנמוכה ביותר.
תרמודינמיקה
|
חוקי יסוד
|
חוקי שימור (החומר, האנרגיה) • חוקי התרמודינמיקה: אפס, ראשון, שני (ראו גם: תנועה נצחית, השד של מקסוול), שלישי
|
קבועים
|
קבוע הגזים • קבוע בולצמן • קבוע אבוגדרו • קבוע פלאנק
|
משתנים
|
אינטנסיבים (טמפרטורה, לחץ, פוטנציאל כימי) • אקסטנסיבים (אנטרופיה, נפח, מספר חלקיקים) • משוואת מצב
|
יחידות מידה
|
טמפרטורה (צלזיוס, קלווין, יח' אחרות) • נפח (ליטר, מטר מעוקב) • לחץ (בר, אטמוספירה, פסקל) • מספר חלקיקים (מול) • אנרגיה (ג'אול, קלוריה)
|
אפיון
|
הפיכות • שינוי האנתלפיה (תהליך אקסותרמי, תהליך אנדותרמי) • שינוי באנרגיה (תהליך ספונטני, תהליך מאולץ) • תהליך (איזוברי, איזותרמי, איזוכורי, אדיאבטי, איזנטרופי, איזואנתלפי)
|
פוטנציאלים תרמודינמיים
|
אנרגיה פנימית • אנתלפיה • האנרגיה החופשית של הלמהולץ • האנרגיה החופשית של גיבס
|
מצבי צבירה ומעברי פאזות
|
מצבי צבירה (מוצק, נוזל, גז) • מעברי פאזות (התכה, התאדות, המראה, התעבות, הקפאה) • נקודת התכה • נקודת רתיחה • נקודה משולשת • נקודה קריטית • דיאגרמת פאזות • משוואת קלאוזיוס-קלפרון • חוק הפאזות של גיבס
|
גזים
|
גז אידיאלי • גז ואן דר ואלס • התאוריה הקינטית של הגזים • לחץ חלקי • חוק ראול • מודל דלטון • חוק בויל-מריוט • חוק גה-ליסאק • חוק שארל• משוואת הגז האידיאלי
|
חום וטמפרטורה
|
האפס המוחלט • יח' מידה לטמפרטורה • שיווי משקל תרמודינמי • קיבול חום • יחס קיבולי החום • חום כמוס • חוק הס • קלורימטר • אפקט ג'ול-תומסון • הסעת חום • מוליכות חום • מעבר חום • קרינה תרמית • קשר מאייר • האינדקס האדיאבטי
|
מעגלי עבודה
|
מעגלים תרמודינמיים (קרנו, סטרלינג, ברייטון, אריקסון, רנקין, סטירלינג, דיזל, לנואר, אוטו, היגרוסקופי, סקודירי, סטודרד) • נצילות
|
יישומים
|
מכונות חום • מנועים • משאבות • משאבת חום • מחליף חום • מיזוג אוויר • מקרר • קירור תרמואלקטרי • תחנות כוח
|
מונחים נוספים
|
תאוריית הקלוריק • תנועה בראונית • פונקציית מצב • תרמודינמיקה סטטיסטית • קשרי מקסוול • תרמוכימיה
|
דמויות בולטות
|
דניאל ברנולי (1700–1782) • בנג'מין תומפסון (1753–1814) • סאדי קרנו (1796–1832) • אמיל קלפרון (1799–1874) • רוברט מאייר (1814–1878) • ג'יימס ג'ול (1818–1889) • ויליאם ג'ון מקורן רנקין (1820–1872) • הרמן פון הלמהולץ (1821–1894) • רודולף קלאוזיוס (1822–1888) • ויליאם תומסון (1824–1907) • ג'יימס קלרק מקסוול (1831–1879) • יוהנס דידריק ואן דר ואלס (1837–1923) • ג'וסיה וילארד גיבס (1839–1903) • לודוויג בולצמן (1844–1906) • מקס פלאנק (1858–1947) • פייר דוהם (1861–1916) • קונסטנטין קרתיאודורי (1873–1950) • לארס אונסגר (1903–1976)
|