要了解動力學和熱力學穩定性之間的區別，您首先必須了解 勢能面 ，以及它們與系統狀態之間的關係。 p p>

勢能表面表示系統的 勢能 作為系統其他一個或多個維度的函數。最常見的是，其他維度是空間的。化學系統的勢能表面通常非常複雜，難以繪製和可視化。幸運的是，我們可以從簡單的二維模型開始，使生活變得更輕鬆，然後將其理解範圍擴展到廣義Nd情況。

因此，我們將從最容易理解的勢能類型開始：引力勢能。這對我們來說很容易，因為我們生活在地球上，每天都受到它的影響。我們已經有了一種直觀的感覺，即如果有機會，事情往往會從較高的地方轉移到較低的地方。例如，如果我給您看這張照片：

您可以猜測，岩石最終將下坡，最終停在岩石的底部。

但是，您還憑直覺知道它不會移動，除非有東西移動它。換句話說，它需要一些 動能 才能開始運動。

通過改變表面，我可以使岩石運動變得更加困難一點：

現在，很明顯，直到獲得足夠的動能以克服山谷之間的小山丘，岩石才不會走到任何地方

我們將第一個谷稱為勢能面中的局部最小值。用數學術語來說，這意味著相對於位置的勢能的一階導數為零：

$$ \ frac {\ mathrm dE} {\ mathrm dx } = 0 $$ span>

並且二階導數是正數：

$$ \ frac {\ mathrm d ^ 2E} {\ mathrm dx ^ 2} \ gt 0 $$ span>

換句話說，斜率是零，形狀是上凹的（或凸面的）。

右邊的深谷是全局最小值（至少據我們所知）。它具有相同的數學屬性，但是能量的幅值較低-谷底更深。

如果將所有這些放在一起，（並且可以容忍一些擬人化），您可以說岩石想要達到全局最小值，但能否到達岩石最小值則取決於它具有動能。

它需要至少足夠的動能來克服沿其當前局部最小值和全局最小值之間的路徑的所有局部最大值。

如果沒有足夠的動能移出當前位置，我們說它是穩定或被困。如果達到了全局最小值，我們說它是熱力學穩定的。

要將這個概念應用於化學系統，我們必須更改用於描述該系統的勢能。引力勢能太弱，無法在分子水平上發揮很大作用。對於反應分子的大型系統，我們改為查看幾個 熱力學勢能之一。我們選擇的那個取決於哪個 狀態變量 是不變的。對於宏觀化學反應，通常存在恆定數量的粒子，恆定溫度以及恆定壓力或體積（NPT或NVT），因此我們使用吉布斯自由能（ $ G $ span>（對於NPT系統）或亥姆霍茲自由能（對於NVT系統， $ A $ span>）

在適當的條件下，每一個都是熱力學勢，這意味著它與重力勢能具有相同的作用：如果有機會，它可以使我們預測系統的運行方向。

對於動能，我們不必進行太多更改-岩石在山上的動能與大量分子的動能之間的主要區別是我們如何測量它。對於單個粒子，我們可以使用速度進行測量，但是對於大分子組，我們必須使用溫度進行測量。換句話說，提高溫度會增加系統中所有分子的動能。

如果我們可以描述系統在不同狀態下的熱力學勢能，則可以找出兩個狀態之間是否存在躍遷是熱力學上有利的–我們可以計算勢能是增加，減少還是保持不變。

如果我們查看所有可訪問狀態，並確定所處的狀態具有最低的熱力學勢能，那麼我們就處於熱力學穩定狀態。

在您使用甲烷氣體的示例中，我們可以查看反應物和產物的吉布斯自由能，並確定產物具有更高的熱力學性質。比反應物穩定，因此在1atm和298K的氧氣存在下的甲烷氣體在熱力學上是不穩定的。

但是，您將需要等待很長時間才能使甲烷在沒有任何外部幫助的情況下進行反應。原因是沿著最低能量反應路徑的 過渡態 具有比反應物的平均動能高得多的熱力學勢能。反應物被動力學捕獲-或穩定，僅因為它們停留在局部最小值內。您需要以熱量（點燃的火柴）形式提供的克服該障礙的最低能量稱為 活化能 。

我們也可以將其應用於許多其他系統。 玻璃是最著名但仍被廣泛研究的例子。

玻璃很有趣，因為它們是物理相中動力學穩定性的例子。通常，相變受熱力學穩定性支配。在玻璃狀固體中，如果分子以晶體結構排列，則它們的勢能會較低，但是由於它們不具有脫離局部最小值所需的能量，因此它們被“類”液體所“塞住”結構，即使相是固體。

運動學處理影響反應發生速率的所有事物。這暗示著反應動力學部分地取決於中間體物種（和過渡態）的穩定性，而中間體的化學反應路徑必須必須經過該途徑才能形成最終產物。如果這些中間體相對於初始反應物高度不穩定（即高能），則激活反應必須超過的初始活化能壁壘將相對較高，並且反應趨於緩慢進行（如果

另一方面，熱力學穩定性嚴格地是自由能變化（ΔG）的函數，而自由能變化是狀態函數，這意味著其值僅取決於兩者之間的差。初始狀態和最終狀態（或初始產品和最終產品的自由能）。換句話說，熱力學穩定性完全獨立於反應物和產物之間的路徑。實際上，該反應可能根本不發生（在某些給定條件下）​​。經典教科書示例是鑽石到石墨的轉化，這在熱力學上是有利的，因為石墨的自由能較低，但在正常條件下不會發生，因為反應的動力學（以所需的巨大活化能的形式）非常不利。

想像一下，您有一組反應物A + B，並且A + B可以通過兩種不同的途徑進行反應，這兩種途徑都導致最終產物的自由能低於反應物A +B。 ＃1的活化能比途徑＃2高得多，但是途徑1末端的最終產物的自由能（即熱力學更穩定）比途徑2末端的低。這意味著途徑＃1在熱力學上是有利的，而途徑＃2在動力學上是有利的（也就是說，它在活化能方面具有較低的障礙，並且反應將通過該途徑更快地進行）。這樣的結果是，除非以以下方式調節環境條件（溫度，壓力，催化劑的濃度等），否則動力學途徑2號途徑將是首選途徑，除非如此。可以超過1。

總而言之，熱力學穩定性（根據反應物和產物之間的自由能差）將決定給定反應在理論上是否是自發的，而動力學因素將決定該反應是否在以下條件下發生：在給定的環境條件下進行實踐，以及給定反應的哪種途徑佔首要地位。

通常有一個“反應障礙”需要克服。因此，一個人必須提供能量才能使反應開始，但一旦開始，它就可以自我維持。需要能量來破壞第一個鍵。然後建立新的鍵可以提供足夠的能量來使反應繼續進行。

請注意，我在說的是熱力學允許的反應。如果不允許在熱力學上進行反應，那麼即使通過添加能量使某些鍵斷裂，該反應也不會自發繼續。

運動學-某種物質如何反應熱力學-涉及的能量，梯度量。

例如，在潮濕的空氣中，鋁金屬比鐵金屬在動力學上要穩定得多（它不會生鏽） ，但是熱力學上的穩定性要差得多（如果它氧化了，它將散發出更多的能量）。

您在空氣中熱力學上不穩定，但是不用擔心，您不會自燃，這是換句話說，你在動力學上是穩定的。

反應在熱力學上是不穩定的，但在動力學上是穩定的，因為條件是反應速率為零。煤和氧的混合物是動力學穩定的，因為直到將煤加熱到其著火溫度才獲得燃燒條件。該系統是熱力學不穩定的，因為在平衡狀態下，煤氧反應有助於形成$ \ ce {CO2} $。