energía libre de gibbs
En termodinámica , la energía libre de Gibbs (o energía de Gibbs ) es un potencial termodinámico que se puede utilizar para calcular el trabajo reversible máximo que puede realizar un sistema termodinámico a temperatura y presión constantes . La energía libre de Gibbs ( , medida en julios en SI ) es la cantidad máxima de trabajo sin expansión que se puede extraer de un sistema termodinámicamente cerrado
(aquel que puede intercambiar calor y trabajo con su entorno, pero no materia). Este máximo sólo puede alcanzarse en un proceso completamente reversible . Cuando un sistema se transforma reversiblemente de un estado inicial a un estado final, la disminución de la energía libre de Gibbs es igual al trabajo realizado por el sistema a su entorno, menos el trabajo de las fuerzas de presión . [1]
La energía de Gibbs (símbolo ) es también el potencial termodinámico que se minimiza cuando un sistema alcanza el equilibrio químico a presión y temperatura constantes. Su derivada con respecto a la coordenada de reacción del sistema se anula en el punto de equilibrio. Como tal, es necesaria una reducción de para que una reacción sea espontánea a presión y temperatura constantes.
La energía libre de Gibbs, originalmente llamada energía disponible , fue desarrollada en la década de 1870 por el científico estadounidense Josiah Willard Gibbs . En 1873, Gibbs describió esta "energía disponible" como [2] : 400
la mayor cantidad de trabajo mecánico que se puede obtener de una cantidad dada de cierta sustancia en un estado inicial dado, sin aumentar su volumen total o permitir que el calor pase hacia o desde cuerpos externos, excepto que al final de los procesos son dejados en su estado inicial.
El estado inicial del cuerpo, según Gibbs, se supone que es tal que "se puede hacer que el cuerpo pase de él a estados de energía disipada mediante procesos reversibles ". En su obra magna de 1876 Sobre el equilibrio de las sustancias heterogéneas , un análisis gráfico de los sistemas químicos multifásicos, se comprometió por completo con sus pensamientos sobre la energía libre de químicos.
Si los reactivos y los productos están todos en sus estados estándar termodinámicos , entonces la ecuación de definición se escribe como .
La reacción C
(s) diamante → C
(s) grafito tiene un cambio negativo en la energía libre de Gibbs y, por lo tanto, es termodinámicamente favorable a 25 °C y 1 atm. Sin embargo, la reacción es demasiado lenta para ser observada debido a su
energía de activación muy alta . Que una reacción sea termodinámicamente favorable no determina su velocidad.
Gráfico de energía disponible (energía libre) de Willard Gibbs de 1873 , que muestra un plano perpendicular al eje de
v (
volumen ) y que pasa por el punto A, que representa el estado inicial del cuerpo. MN es la sección de la superficie de
energía disipada . Q
ε y Q
η son secciones de los planos
η = 0 y
ε = 0, y por tanto paralelas a los ejes de
ε (
energía interna ) y
η (
entropía ), respectivamente. AD y AE son la energía y entropía del cuerpo en su estado inicial, AB y AC su
energía disponible(energía libre de Gibbs) y su
capacidad de entropía (la cantidad en la que se puede aumentar la entropía del cuerpo sin cambiar la energía del cuerpo o aumentar su volumen) respectivamente.
Relación con otros parámetros relevantes
Las figuras dos y tres del científico estadounidense
Willard Gibbs de 1873 (arriba a la izquierda y en el medio) utilizadas por el físico escocés
James Clerk Maxwell en 1874 para crear un diagrama tridimensional de
superficie termodinámica de entropía ,
volumen y
energía para una sustancia ficticia similar al agua, transpuso los dos figuras de Gibbs (arriba a la derecha) en las coordenadas de entropía de volumen (transpuestas a la parte inferior del cubo) y las coordenadas de entropía de energía (invertidas y transpuestas a la parte posterior del cubo), respectivamente, de coordenadas cartesianas tridimensionales
; siendo la región AB la primera representación tridimensional de la energía libre de Gibbs, o lo que Gibbs llamó "energía disponible"; siendo la región AC su capacidad de entropía , lo que Gibbs definió como “la cantidad en la que se puede aumentar la entropía del cuerpo sin cambiar la energía del cuerpo ni aumentar su volumen.
