Gibbs freie Energie

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass für alle spontanen Prozesse die Entropie des Universums – die Summe aus der Entropie des Systems und der Entropie der Umgebung – zunimmt.

Während die Entropie des Systems aus normalen molaren Entropien berechnet werden kann, ist die Entropie der Umgebung schwieriger zu berechnen oder zu messen.

Daher definierte J. Willard Gibbs eine neue thermodynamische Funktion, die es erlaubt, Spontaneität allein durch die Entropie und Enthalpie des Systems und nicht durch die Umgebung zu bestimmen.

Erinnern Sie sich daran, dass unter konstanten Druck- und Temperaturbedingungen das ΔS der Umgebung gleich dem negativen ΔH des Systems geteilt durch die Temperatur T ist. Dieser Term kann in die Gleichung eingefügt werden, die den zweiten Hauptsatz darstellt.

Multipliziert man beide Seiten mit minus T, so lautet die Gleichung nun: −TΔS_univ = ΔH_sys − TΔS_sys. Die thermodynamischen Funktionen auf der rechten Seite der Gleichung – Enthalpie und Entropie – sind beide ausschließlich vom System abhängig.

Da sowohl Enthalpie als auch Entropie Zustandsfunktionen sind, kann eine neue Zustandsfunktion als −TΔS_univ definiert werden. Dieser neue Begriff wird als freie Gibbs-Energie bezeichnet und mit dem Buchstaben G bezeichnet.

Die Gleichung für ΔG führt zu einem neuen Kriterium für spontane Reaktionen. Die Differenz zwischen der Enthalpieänderung und der Temperatur- bzw. Entropieänderung muss kleiner als Null sein.

ΔG wird auch als chemisches Potential bezeichnet, da es der mechanischen potentiellen Energie eines Systems ähnelt.

So wie ein Ball immer bergab rollt, um seine potentielle Energie zu verringern, verläuft eine chemische Reaktion, um sein chemisches Potenzial zu verringern.

Wenn also bei konstanter Temperatur und konstantem Druck die freie Energie des Systems abnimmt (d. h. ΔG < 0), ist die Reaktion spontan.

Umgekehrt, wenn die freie Energie des Systems zunimmt, > ΔG 0, und die Reaktion ist nicht spontan.

Wenn ΔG = 0 ist, dann befinden sich die Reaktanten und Produkte im Gleichgewicht.