Energi bebas Gibbs

Dalam termodinamika, energi bebas Gibbs (nama yang direkomedasikan IUPAC: energi Gibbs atau fungsi Gibbs; juga dikenal sebagai entalpi bebas untuk membedakannya dari energi bebas Helmholtz) adalah suatu potensial termodinamika yang dapat digunakan untuk menghitung kerja reversibel maksimum yang dapat dilakukan oleh sistem termodinamika pada suhu dan tekanan konstan (isotermal, isobarik). Sama seperti dalam mekanika, di mana penurunan energi potensial didefinisikan sebagai kerja maksimum yang dapat dilakukan, potensial yang berbeda juga memiliki arti yang berbeda. Penurunan energi bebas Gibbs (J dalam SI) adalah jumlah maksimum pekerjaan non-ekspansi yang dapat diekstraksi dari sistem termodinamika tertutup; maksimum tersebut dapat dicapai hanya dalam proses yang sepenuhnya reversibel. Ketika sebuah sistem berubah secara reversibel dari keadaan awal ke keadaan akhir, penurunan energi bebas Gibbs sama dengan kerja yang dilakukan oleh sistem ke lingkungannya, dikurangi dengan kerja dari gaya tekanan.
Energi Gibbs (juga dirujuk sebagai G) juga merupakan potensial termodinamika yang diminimalkan saat sistem mencapai kesetimbangan pada tekanan dan suhu konstan. Derivasinya sehubungan dengan koordinat reaksi sistem yang hilang pada titik kesetimbangan. Dengan demikian, pengurangan G adalah kondisi yang diperlukan untuk spontanitas proses pada tekanan dan suhu konstan.
Energi bebas Gibbs, yang pada awalnya disebut energi yang tersedia, dikembangkan pada tahun 1870 oleh ilmuwan Amerika Josiah Willard Gibbs. Pada tahun 1873, Gibbs menggambarkan "energi yang tersedia" ini sebagai
Keadaan awal benda, menurut Gibbs, seharusnya sedemikian rupa sehingga "benda dapat dibuat untuk melewatinya dari keadaan energi yang dilepaskan melalui proses reversibel". Pada tahun 1876 magnum opus On The Equilibrium of Heterogeneous Substances, sebuah analisis grafis dari sistem kimia multi-fasa, dia melibatkan pemikirannya tentang energi bebas kimia secara penuh.
Energi bebas Gibbs didefinisikan sebagai:
yang sama dengan:
di mana:
Ekspresi untuk perubahan reversibel yang sangat kecil dalam energi bebas Gibbs sebagai fungsi dari 'variabel alamiah' p dan T, untuk sistem sistem terbuka, mengalami operasi gaya eksternal (misalnya listrik atau magnet) Xi, yang menyebabkan parameter eksternal sistem ai mengalami perubahan sejumlah dai, dapat diturunkan mengikuti Hukum Pertama untuk proses reversibel:
di mana:
Hal ini merupakan satu bentuk persamaan dasar Gibbs. Dalam ekspresi yang sangat kecil, istilah yang melibatkan potensial kimia menyebabkan perubahan energi bebas Gibbs yang dihasilkan dari masuknya atau keluarnya partikel. Dengan kata lain, ini berlaku untuk sistem terbuka. Untuk sistem tertutup, istilah ini mungkin tidak digunakan.
Sejumlah persyaratan ekstra dapat ditambahkan, tergantung pada sistem tertentu yang dipertimbangkan. Selain dari kerja mekanis, sebuah sistem dapat, selain itu, melakukan banyak jenis kerja lainnya. Misalnya, dalam ekspresi yang sangat kecil, energi kerja kontraktil yang terkait dengan sistem termodinamika yaitu serat kontraktil yang lebih pendek dengan jumlah −dl dibawah gaya f dapat mengasilkan istilah f dl ditambahkan. Jika kuantitas muatan −de diperoleh sistem pada suatu potensial listrik Ψ, kerja listrik yang terkait dengannya −Ψde, yang akan disertakan dalam ekspresi yang sangat kecil. Istilah kerja lainnya ditambahkan pada persyaratan per sistem.
Energi Gibbs yang bergantung pada suhu bagi suatu gas ideal dinyatakan dalam persamaan Gibbs–Helmholtz dan ketergantungan tekanannya dapat dinyatakan sebagai:
jika volumenya diketahui dan bukan tekanannya maka menjadi:
atau lebih baik lagi sebagai potensial kimianya:
Dalam sistem non-ideal, fugasitas ikut berperan.
Energi bebas Gibbs pembentukan standar pada suatu senyawa adalah perubahan energi bebas Gibbs yang menyertai pembentukan 1 mol zat tersebut dari unsur penyusunnya, pada keadaan standar (keadaan unsur yang paling stabil pada suhu 25 °C dan tekanan 100 kilopascal). Simbolnya adalah ΔfG˚.
Semua unsur dalam keadaan standarnya (gas oksigen diatomik, grafit, dll.) memiliki energi bebas Gibbs pembentukan standar sama dengan nol, seperti tidak ada perubahan yang terlibat.
Pada kesetimbangan, ΔfG = 0 dan Qf = K sehingga persamaan menjadi ΔfG˚ = −RT ln K; K adalah konstanta kesetimbangan.