17.7: Auswirkungen der Temperatur auf die freie Energie

Die Spontaneität eines Prozesses hängt von der Temperatur des Systems ab. Phasenübergänge zum Beispiel verlaufen spontan in die eine oder andere Richtung, abhängig von der Temperatur des betreffenden Stoffes. Ebenso können einige chemische Reaktionen auch temperaturabhängige Spontaneitäten aufweisen. Um dieses Konzept zu veranschaulichen, wird die Gleichung betrachtet, die die Änderung der freien Energie mit den Enthalpie- und Entropieänderungen für den Prozess in Beziehung setzt:

Die Spontaneität eines Prozesses, wie sie sich im arithmetischen Vorzeichen seiner freien Energieänderung widerspiegelt, wird dann durch die Vorzeichen der Enthalpie- und Entropieänderungen und in einigen Fällen durch die absolute Temperatur bestimmt. Da T die absolute (Kelvin-)Temperatur ist, kann sie nur positive Werte haben. Es gibt also vier Möglichkeiten hinsichtlich der Vorzeichen der Enthalpie- und Entropieänderungen:

1. Sowohl ΔH als auch ΔS sind positiv. Diese Bedingung beschreibt einen endothermen Prozess, der eine Zunahme der Systementropie mit sich bringt. In diesem Fall ist ΔG negativ, wenn die Größe des Term TΔS größer als ΔH ist. Wenn der Term TΔS kleiner als ΔH ist, ist die Änderung der freien Energie positiv. Ein solcher Prozess ist bei hohen Temperaturen spontan und bei niedrigen Temperaturen nicht spontan.
2. Sowohl ΔH als auch ΔS sind negativ. Diese Bedingung beschreibt einen exothermen Prozess, der eine Abnahme der Systementropie mit sich bringt. In diesem Fall ist ΔG negativ, wenn die Größe des Term TΔS kleiner als ΔH ist. Wenn die Größedes T ΔS Term größer als ΔH ist, ist die Änderung der freien Energie positiv. Ein solcher Prozess ist bei niedrigen Temperaturen spontan und bei hohen Temperaturen nicht spontan.
3. ΔH ist positiv und ΔS ist negativ. Diese Bedingung beschreibt einen endothermen Prozess, der eine Abnahme der Systementropie beinhaltet. In diesem Fall ist ΔG unabhängig von der Temperatur positiv. Ein solcher Prozess ist bei allen Temperaturen nicht spontan.
4. ΔH ist negativ und ΔS ist positiv. Diese Bedingung beschreibt einen exothermen Prozess, der eine Zunahme der Systementropie mit sich bringt. In diesem Fall ist ΔG unabhängig von der Temperatur negativ. Ein solcher Prozess ist bei allen Temperaturen spontan.

Dieser Text ist eine Adaption von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 16.4: Freie Energie.