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 konstantního objemu, 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.

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 $T \,$ je termodynamická teplota, $S \,$ je entropie, $p \,$ je tlak, $V \,$ je objem, $\mu_i \,$ je chemický potenciál a $n_i \,$ látkové množství i-té složky, $H \,$ je entalpie, $U \,$ je vnitřní energie.

Gibbsovu energii lze vyjádřit z entalpie vztahem:

$G = H - TS \,$

Z vnitřní energie lze Gibbsovu energii vyjádřit vztahem:

$G = U - TS + pV \,$

Diferenciál Gibbsovy energii lze v přirozených proměnných vyjádřit vztahem:

$\mathrm{d}G=-S\mathrm{d}T+V\mathrm{d}p+\sum_i\mu_i\mathrm{d}n_i\,$

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 $E_\mathrm{p} \,$ 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

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

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:

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