Energía libre de Gibbs
En termodinámica , la energía libre de Gibbs (o energía de Gibbs ) es un potencial termodinámico que se puede usar para calcular el trabajo máximo reversible 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 de no expansión que se puede extraer de un sistema termodinámicamente cerrado
(uno que puede intercambiar calor y trabajar con su entorno, pero no importa). Este máximo solo 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 en 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 desaparece en el punto de equilibrio. Como tal, es necesaria una reducción 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 a partir de una determinada cantidad de una determinada sustancia en un determinado estado inicial, sin aumentar su volumen total o sin permitir que el calor pase hacia o desde cuerpos externos, salvo que al final de los procesos se dejado en su estado inicial.
Se supone que el estado inicial del cuerpo, según Gibbs, 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 sustancias heterogéneas , un análisis gráfico de sistemas químicos multifase, dedicó sus pensamientos a la energía libre de sustancias químicas en su totalidad.
Si los reactivos y productos están todos en sus estados termodinámicos estándar , entonces la ecuación definitoria 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 muy alta
energía de activación . El que una reacción sea termodinámicamente favorable no determina su velocidad.
Gráfico de
energía disponible (
energía libre) de 1873 de
Willard Gibbs , 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 lo tanto paralelas a los ejes de
ε (
energía interna ) y
η (
entropía ), respectivamente. AD y AE son la energía y la 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 de
superficie termodinámico tridimensional de
entropía , volumen y energía para una sustancia ficticia parecida al agua, transpusieron las dos Figuras de Gibbs (arriba a la derecha) en las coordenadas de volumen-entropía (transpuestas a la parte inferior del cubo) y coordenadas de energía-entropía (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 la entropía del cuerpo puede incrementarse sin cambiar la energía del cuerpo o aumentar su volumen".
