Свободна енергия на Гибс

В термодинамиката енергията на Гибс G отбелязва способността на даден процес да протича спонтанно. Тя е наречена така в чест на американския учен Джошуа Гибс. По дефиниция свободната енергия на Гибс $\mathbf{G}$ е равна на

$\mathbf {G}=\mathbf{U}+\mathbf{p}\mathbf{V}-\mathbf{T}. \mathbf{S}$

където с $\mathbf {U}$ е зададена вътрешната енергия на системата, с $\mathbf{S}$ е отбелязана ентропията, а с $\mathbf{T}$, $\mathbf{V}$, $\mathbf{p}$ - съответно температурата, измерена в Келвини, обема и налягането на системата. От дефиницията следва, че енергията на Гибс G е свързана с енталпията по формулата

$\mathbf {G} = \mathbf {H}-\mathbf {T}. \mathbf {S}$

където с $\mathbf{H}$ е означена енталпията, която е дефинирана като $\mathbf{H}=\mathbf{U}+\mathbf{p}\mathbf{V}$. В диференциална форма изменението на енергията на Гибс се задава с уравнението:

$\mathbf {dG = Vdp - SdT + \sum \mu_i dN_i }$

тук с dN_i е обозначено изменението на количеството вещество на даден компонент i, а с μ_i химичният потенциал на този компонент. Енергията на Гибс може следователно да се представи като функция на температурата, налягането и количеството вещество. Всички тези величини са лесноизмерими и достъпни, затова G много по-удобна при практическа работа, в сравнение с другите термодинамични потенциали (вътрешна енергия, енталпия, енергия на Хелмхолц). Уравнението се опростява ако системата не обменя вещество с околната среда (dN_i=0), при изобарни процеси (dp = 0) или изотермични процеси (dT=0). Пример: ако dT и dp = 0, тогава изменението на G е равно на :

$\mathbf {dG = \sum \mu_i dN_i }$

Ако при дадена химична реакция енергията на Гибс намалява, т.е. $\Delta \mathbf{G}<0$, то реакцията протича спонтанно. Ако $\Delta \mathbf{G}>0$, тогава реакцията протича само ако външни сили повлияят на системата. Ако $\Delta \mathbf{G} =0$, то системата е в динамично равновесие - скоростиете на правата и обратната реакция са равни. В състояние на равновесие енергията на Гибс на системата е минимална.

Изменението на енергията на Гибс е и мярка за максималната работа, която една система може да извърши. Изменението на енергията на Гибс ΔG при дадена реакция е свързано с редица физикохимични величини: равновесна константа, електроден потенциал.

Вижте също

• Свободна енергия на Хелмхолц