摘要：在常用的无机化学教材中，化学热力学部分讲到吉布斯自由能变（ΔG）的物理意义时，给出的ΔG和功（W）的关系式有多种写法，但可以归纳总结为三种写法。为避免发生这种问题，应强化对W的符号规定的认识。
关键词：吉布斯自由能变；功；关系式
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）18-0157-02
化学热力学是无机化学的重点内容之一，在讲授化学热力学中系统的吉布斯自由能变（ΔG）的物理意义时，发现ΔG和系统（体系）对外做的有用功（W非）的关系式有多种写法，该关系式不仅在化学热力学部分重要，还与后面的氧化还原反应和氧化还原平衡内容密切相关。若不讲清楚，会给学生看书时造成困扰。因此，我们将多本教材中出现的此关系式的不同写法进行了归纳总结，分析了出现不同写法的原因，对如何讲授可以避免学生的困扰，提出了看法。
一、教材中出现的ΔG和W关系式的不同写法
在常用的授课教材中，当讲到ΔG的物理意义时，给出的ΔG和W关系式有多种写法。如（1）-ΔG=-W非[1]；（2）-ΔG=W非[2]；（3）ΔrG=-Wmax[3]；（4）ΔrGm=Wmax[4]；（5）ΔrGm=Wmax′[5]；（6）ΔG=Wmax′[6]。把ΔG和摩尔反应吉布斯自由能变（ΔrGm）看成是同样的量，把W非与系统对外做的最大有用功（Wmax和W有′）看成是同样的量，ΔG和W关系式仍有三种写法：（1）-ΔG=-W；（2）ΔG=W；（3）ΔG=-W。对于ΔG和W关系式表示的物理意义，各种教材表述相似：封闭系统（体系）在恒温恒压下吉布斯函数G的变化等于系统能够做的最大非体积功Wmax。即恒温恒压下过程或反应总是自发地向着吉布斯函数减少的方向进行，直至吉布斯函数减至最小值，达到平衡为止。在（1）-ΔG=-W的公式中，ΔG减小为负值，加上前面的负号，等式左面为正值；系统对环境做功，W<0，为负值，加上前面的负号，等式右面也为正值，该关系式成立。在（2）ΔG=W的公式中，ΔG减小为负值，等式左面为负值；系统对环境做功，W<0，为负值，等式右面也为负值，该关系式成立。在（3）ΔG=-W的公式中，ΔG减小为负值，等式左面为负值；系统对环境做功，W>0，加上前面的负号，等式右面也为负值，该关系式也成立。
二、出现不同写法的原因
出现这种现象的原因是对W的符号的认识的差别引起的，虽然早有规定，也早有探讨[7]，但对W的符号的认识还不十分明确。如果对该符号的规定明确，在教材的至始至终都贯彻该符号，就可以避免这种情况的出现。由于W的符号规定不同，由热力学第一定律推导得到的关系式写法就不同。若规定系统向环境做功，W<0；环境向系统做功，W>0，由热力学第一定律推导得到的关系式为：-ΔG=-W非。有的教材则直接给出：-ΔG=-W非。若规定系统向环境做功，W>0；环境向系统做功，W<0，由热力学第一定律推导得到的关系式为：-ΔG=W非。因为有些教材不对公式进行推导，虽然教材编者清楚公式的来龙去脉，但易造成读者看书时的困惑。
三、如何避免这种情况的产生
为避免发生这种情况，首先，应强化对W的符号规定的认识；其次，应将该关系式统一写成-ΔG=-W非的形式。
（一）强化对W的符号规定的认识
热力学规定：系统向环境做功，W<0；环境向系统做功，W>0。所有的写法与讲法都与该规定一致，会使相关的内容更清晰、明确和自然，没有强加符号的感觉。
从求体积功公式的推导，就应该贯彻W的符号规定。化学反应过程中，经常发生体积变化。系统反抗外压改变体积，产生体积功。设：在一截面积为A的圆柱形筒内发生化学反应，系统反抗外压P膨胀，活塞从I位移动到II位。
高中物理中，功的定义式W=F·s·cosθ，公式中的F为恒力，s为物体的位移，θ是指F与位移s间的夹角。力与位移方向相反，即θ=180°，cos180°=-1，W=-F·s。在本文中，如图1所示，F=P·A（P为压强），s=Δl，W=-P·A·Δl=-P·ΔV。这种W=-P·ΔV称为体积功。当体积膨胀时，ΔV>0，计算得W<0，此时是系统反抗外力对环境做功，W<0；当体积压缩时，ΔV<0，计算得W>0，此时是环境对系统做功，W>0。与对W的符号规定完全一致。
（二）统一该关系式的写法
应将该关系式统一写成-ΔG=-W非的形式，因为这种写法是由热力学第一定律推导得到的，并且在应用时再根据具体情况加以解释。
如讲到氧化还原反应和氧化还原平衡中的ΔG与电动势（E）的关系式时，各种教材给出的都相同，即ΔrG=-nFE（式中n为电池反应中所转移电子的物质的量，F为法拉第常数，E为电势差，在原电池中为原电池的电动势）。可是在引出此关系式时却有所不同。
若在化学热力学中采用（3）ΔG=-W的关系式，则因为W=W电=qE=nFE，自然得到ΔrG=-W电=-qE=-nFE。
若在化学热力学中采用（2）ΔG=W的关系式，则，因为W=W电=qE=nFE，W电得到的是正值，等式左面ΔG减小为负值，必须加上负号，使等式左面为正值，等式两边相等，即-ΔG=W，可以得到ΔG=-W=-nFE（ΔG=-nFE）。因此，必须加以说明，才能得到ΔG=-nFE。
若在化学热力学中采用（1）-ΔG=-W关系式，两边同时去掉负号，得到ΔG=W，与（2）ΔG=W的关系式情况相同，也必须加以说明，才能得到ΔG=-nFE。
四、与此类似的问题
除-ΔG=-W关系式存在正负号争议外，无机化学中还至少有两处有正负号争议。一是晶格能，二是元素的电子亲和（合）能。目前，大多数教材关于晶格能已改成与热力学规定的符号一致，但对于元素的电子亲和（合）能，大多数教材还沿用放出能量，但用正值表示。
五、结语
从以上对ΔG和W关系式多种写法的总结及产生的原因的分析，可以看出，应强化对W的符号规定的认识，一本教材要做到内容的前后照应和一致，将该关系式统一写成-ΔG=-W非的形式，且在应用时再根据具体情况加以解释，这样才能避免读者的困惑。
参考文献：
[1]吉林大学，武汉大学，南开大学.无机化学[M]（第二版）.北京：高等教育出版社，2009.
[2]陈虹锦.无机与分析化学[M].北京：科学出版社，2002.
[3]贾之慎，等，编.无机及分析化学[M].北京：中国农业出版社，2008.
[4]大连理工大学.无机化学[M]（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.
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[6]北京师范大学大学.无机化学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[7]陈定梅.浅议毛机亿学教学中功的符号规范性及吉布斯有由能的引入问题[J].六盘水师专学报，2001，13（4）：62-63.
基金项目：东北林业大学重点课程建设基金资助。
作者简介：韩福芹（1962—），女，副教授，博士，主要研究方向：无机复合材料。