Energia swobodna Gibbsa definicja i właściwości

Energia swobodna Gibbsa (funkcja Gibbsa, entalpia swobodna) jest jednym z potencjałów termodynamicznych, czyli  funkcją parametrów makroskopowych układu, za pomocą której można precyzyjnie opisać stan danego układu termodynamicznego. Wśród potencjałów termodynamicznych wyróżnić można również: energię wewnętrzną, entalpię czy energię swobodną Helmholtza. Energia swobodna Gibbsa oznaczana jest symbolem G.

Do zrozumienia pochodzenia pojęcia entalpii swobodnej niezbędne jest poznanie II zasady termodynamiki i prześledzenie przekształcenia wzoru na entropię układu. II zasada termodynamiki mówi, że entropia układu izolowanego, czyli takiego który nie wymienia energii ani materii z otoczeniem, nie może maleć w czasie. Całkowita zmiana entropii (∆ S_cał) wywołana danym procesem jest równa sumie zmiany entropii otoczenia (∆S_ot) i układu (∆S_uk):

∆S_cał = ∆S_uk + ∆S_ot

Całkowita zmiana entropii wywołana procesem samorzutnym jest zawsze większa od zera:

∆S_cał 〉 0

W sytuacji, gdy proces przebiega w stałej temperaturze oraz pod stałym ciśnieniem to zmianę entropii otoczenia można opisać jako:

∆S_ot = ∆H_ot/T

gdzie: ∆H_ot - zmiana entalpii otoczenia, T - temperatura

Ponieważ zmiana entalpii otoczenia, jest równa zmianie entalpii układu tylko z przeciwnym znakiem (∆H_ot = - ∆H_uk) to:

∆S_ot = -∆H_uk/T     więc    ∆S_cał = ∆S_uk - ∆H_uk /T

Po wymnożeniu powyższego równania przez –T otrzymuje się:

-T·∆S_cał = - T·∆S_uk + ∆H_uk

Teraz można wprowadzić nową zmienną tj. entalpię swobodną: ∆G_uk = - T·∆S_cał:

∆G_uk = - T·∆S_uk + ∆H_uk

Stąd wynika, że w warunkach stałego ciśnienia oraz temperatury zmiana entalpii swobodnej jest proporcjonalna do całkowitej zmiany entropii układu i otoczenia. Pojęcie entalpii swobodne pomaga w określeniu spontaniczności danego procesu. Gdy ∆G ma wartości mniejsze od zera, to dany proces jest spontaniczny, gdy ∆G jest dodatnie proces nie zachodzi samoczynnie. Natomiast w przypadku ∆G równej zero układ znajduje się w stanie równowagi.