Gibbsova volná energie

Volná entalpie, jinak řečeno Gibbsova volná energie či jen Gibbsova energie nebo Gibbsova funkce, je jedním z termodynamických potenciálů, tedy extenzivní stavová termodynamická veličina s rozměrem energie. Gibbsova energie je stavová funkce, která je zpravidla značená písmenem G, která popisuje chemické děje za podmínek konstantního tlaku, konstantní teploty a konstantních látkových množství, kdy entropie jako kritérium samovolnosti děje nevyhovuje. Samotná rovnice vyjadřující Gibbsovu energii byla postulována v roce 1875, kdy J. W. Gibbs odvodil novou funkci G.^[1]

Přirozenými proměnnými jsou pro Gibbsovu energii termodynamická teplota, tlak a látkové množství.

Vzhledem k tomu, že je vhodná pro posuzování termodynamické rovnováhy soustav při konstantním tlaku a teplotě, je často využívaná pro charakteristiku přirozeného směru chemických reakcí - které zpravidla probíhají při atmosférickém tlaku a teplotě prostředí.

Jednotky a značení

Jak název napovídá, je volná entalpie čili Gibbsova energie fyzikální veličinou stejného charakteru a rozměru jako energie.

Jednotka v soustavě SI: 1 joule, značka 1 J

Doporučená značka veličiny: G

Vztahy

Ve všech vztazích ${\displaystyle T\,}$ je termodynamická teplota, ${\displaystyle S\,}$ je entropie, ${\displaystyle p\,}$ je tlak, ${\displaystyle V\,}$ je objem, ${\displaystyle \mu _{i}\,}$ je chemický potenciál a ${\displaystyle n_{i}\,}$ látkové množství i-té složky, ${\displaystyle H\,}$ je entalpie, ${\displaystyle U\,}$ je vnitřní energie.

Gibbsovu energii lze vyjádřit z entalpie vztahem:

${\displaystyle G=H-TS\,}$

Z vnitřní energie lze Gibbsovu energii vyjádřit vztahem:

${\displaystyle G=U-TS+pV\,}$

Diferenciál Gibbsovy energie lze v přirozených proměnných vyjádřit vztahem:

${\displaystyle \mathrm {d} G=-S\mathrm {d} T+V\mathrm {d} p+\sum _{i}\mu _{i}\mathrm {d} n_{i}\,}$

jehož výsledkem je, že úbytek Gibbsovy energie ΔG systému za konstantního tlaku a teploty, je roven maximální práci, kterou může systém odevzdat do okolí.

Kritérium stability rovnováhy

V mechanice se k charakterizování stability (mechanických) systémů v konzervativním silovém poli používá potenciální energie ${\displaystyle E_{\mathrm {p} }\,}$ nebo obdobná veličina potenciál. Stabilní rovnovážný systém je charakterizován minimem potenciální energie, žádná infinitezimální variace proměnných parametrů systému nemůže vést k jejímu poklesu. To lze zapsat vztahem

${\displaystyle \delta E_{\mathrm {p} }\geqq 0\,}$

U systémů s tepelnou výměnou s okolím je situace složitější. Pro systémy, u kterých je udržována konstantní teplota a tlak (běžné fyzikálně-chemické systémy při atmosférickém tlaku v termostatu nebo v přímém kontaktu s ohřívačem/chladičem) a neprobíhá látková výměna s okolím, ale koná se objemová práce, je vhodným potenciálem pro charakterizaci stabilní rovnováhy právě Gibbsova energie:

${\displaystyle \left(\delta G\right)_{T,p,n}\geqq 0\,}$

Reference