One of the challenges of using the second law of thermodynamics to determine if a process is spontaneous is that it requires measurements of the entropy change for the system and the entropy change for the surroundings. An alternative approach involving a new thermodynamic property defined in terms of system properties only was introduced in the late nineteenth century by American mathematician Josiah Willard Gibbs. This new property is called the Gibbs free energy (G) (or simply the free energy), and it is defined in terms of a system’s enthalpy and entropy as the following:
Free energy is a state function, and at constant temperature and pressure, the free energy change (ΔG) may be expressed as the following:
The relationship between this system property and the spontaneity of a process may be understood by recalling the previously derived second law expression:
The first law requires that qsurr = −qsys, and at constant pressure qsys = ΔH, so this expression may be rewritten as:
Multiplying both sides of this equation by −T and rearranging yields the following:
For simplicity’s sake, the subscript “sys” can be omitted, and the expression becomes
Comparing this equation to the previous one for free energy change shows the following relation:
The free energy change is, therefore, a reliable indicator of the spontaneity of a process, as it is directly related to the previously identified spontaneity indicator, ΔSuniv.
If ΔSuniv > 0, ΔG < 0 and the reaction is spontaneous.
If ΔSuniv < 0, ΔG > 0 and the reaction is nonspontaneous.
If ΔSuniv = 0, ΔG = 0 and the reaction is at equilibrium.
This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.4: Free Energy.
החוק השני של התרמודינמיקה מגדיר כי בכל התהליכים הספונטניים, אנטרופיית היקום, סכום האנטרופיה של המערכת והאנטרופיה של הסביבה, גדלה. בעוד שאת האנטרופיה של המערכת ניתן לחשב על פי אנטרופיות מולריות סטנדרטיות, את אנטרופיית הסביבה קשה יותר למדוד או לחשב. לכן, ג’יי וילארד גיבס הגדיר פונקציה תרמודינמית חדשה, המאפשרת לחשב ספונטניות באמצעות האנטרופיה והאנתלפיה של המערכת בלבד, ולא של סביבתה.
הזכרו שבתנאי לחץ וטמפרטורה קבועים, דלתא S של הסביבה שווה למינוס דלתא H של המערכת חלקי הטמפרטורה, T.את אגף זה ניתן להציב במשוואה המייצגת את החוק השני. כששני האגפים מוכפלים במינוס T, וכעת המשוואה מראה כי מינוס T כפול דלתא S של היקום שווה לדלתא H של המערכת פחות T כפול דלתא S של המערכת. הפונקציות התרמודינמיות בצד ימין של המשוואה, אנתלפיה ואנטרופיה, תלויות לחלוטין במערכת.
משום שגם אנתלפיה וגם אנטרופיה הן פונקציות מצב, ניתן להגדיר פונקציית מצב חדשה כמינוס T כפול אנטרופיית היקום. משוואה חדשה זו נקראת האנרגיה החופשית של גיבס ומסמנים אותה באמצעות האות G.המשוואה לחישוב דלתא G מובילה אותנו לקריטריון חדש לתגובות ספונטניות. ההפרש בין השינוי באנטלפיה לטמפרטורה שהאנטרופיה שינתה, חייב להיות קטן מאפס.
דלתא G מכונה גם פוטנציאל כימי בשל הדמיון בינה לבין אנרגיה פוטנציאלית מכנית של מערכת. בדיוק כמו שכדור תמיד יתגלגל במורד המדרון כדי להקטין את האנרגיה הפוטנציאלית שלו, תגובה כימית מתרחשת כדי להקטין את הפוטנציאל הכימי שלה. וכך, בטמפרטורה ובלחץ קבועים, אם האנרגיה החופשית של המערכת פוחתת, כלומר אם דלתא G קטן מאפס, התגובה היא ספונטנית.
ולהפך, אם האנרגיה החופשית של מערכת גדלה, דלתא G גדול יותר מאפס, ואז התגובה אינה ספונטנית. אם דלתא G שווה לאפס, אז המגיבים והתוצרים מצויים בשיווי משקל.
Related Videos
Thermodynamics
24.0K צפיות
Thermodynamics
30.3K צפיות
Thermodynamics
23.9K צפיות
Thermodynamics
19.0K צפיות
Thermodynamics
20.4K צפיות
Thermodynamics
33.5K צפיות
Thermodynamics
25.6K צפיות
Thermodynamics
21.4K צפיות
Thermodynamics
11.4K צפיות
Thermodynamics
23.6K צפיות