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.

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 energie 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:

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