Gibbs vrije energie

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat voor alle spontane processen de entropie van het universum de som van de entropie van het systeem en de entropie van de omgeving toeneemt. Hoewel de entropie van het systeem kan worden berekend uit standaard molaire entropieën, is de entropie van de omgeving moeilijker te berekenen of te meten. Daarom definieerde J.Willard Gibbs een nieuwe thermodynamische functie, die het mogelijk maakt spontaniteit uitsluitend te bepalen door de entropie en enthalpie van het systeem en niet door de omgeving.

Bedenk dat onder constante druk-en temperatuuromstandigheden de delta S van de omgeving gelijk is aan de negatieve delta H van het systeem gedeeld door de temperatuur T.Deze term kan worden vervangen door de vergelijking die de tweede wet vertegenwoordigt. Wanneer beide zijden worden vermenigvuldigd met negatieve T, wordt de vergelijking nu negatief T maal de delta S van het universum gelijk is aan de delta H van het systeem minus T maal de delta S van het systeem. De thermodynamische functies aan de rechterkant van de vergelijking enthalpie en entropie zijn beide uitsluitend afhankelijk van het systeem.

Omdat zowel enthalpie als entropie toestandsfuncties zijn, kan een nieuwe toestandsfunctie worden gedefinieerd als een negatieve T maal de entropie van het universum. Deze nieuwe term heet Gibbs-vrije energie en wordt aangeduid met de letter G.De vergelijking voor delta G leidt tot een nieuw criterium voor spontane reacties. Het verschil tussen de enthalpie-verandering en de temperatuur van de entropieverandering moet kleiner zijn dan nul.

Delta G staat ook bekend als chemisch potentieel omdat het vergelijkbaar is met de mechanische potentiële energie van een systeem. Net zoals een bal altijd bergafwaarts zal rollen om zijn potentiële energie te verlagen, gaat een chemische reactie verder om zijn chemische potentieel te verlagen. Dus, bij constante temperatuur en druk, als de vrije energie van het systeem afneemt dat wil zeggen, delta G is minder dan nul is de reactie spontaan.

Omgekeerd, als de vrije energie van het systeem toeneemt, is delta G groter dan nul en is de reactie niet spontaan. Als delta G gelijk is aan nul, zijn de reactanten en producten in evenwicht.