Gibbs serbest enerjisi

Termodinamik
Klasik Carnot ısı makinesi
Dallar Klasik İstatistiksel Kimyasal Kuantum termodinamiği Denge / Dengesizlik
Kanunlar Sıfırıncı Birinci İkinci Üçüncü
Sistemler Kapalı sistem İzole sistem Durum Hâl denklemi İdeal gaz Gerçek gaz Maddenin hâlleri Faz (madde) Denge Kontrol hacmi Enstrümanlar Süreçler İzobarik İzokorik İzotermal Adyabatik İzentropik İzentalpik Kuazi-statik Politropik Serbest genişleme Tersinirlik Tersinmezlik Endotersinirlik Çevrimler Isı motorları Isı pompaları Isıl verim
Sistem özellikleri Not: Eşlenik değişkenler italik yazılmıştır. Özellik diyagramları Yeğin ve yaygın özellikler Süreç fonksiyonları İş Isı Hâl fonksiyonları Sıcaklık / Entropi (giriş) Basınç / Hacim Kimyasal potansiyel / Parçacık sayısı Buhar kalitesi İndirgenmiş özellik
Malzeme özellikleri Özellik veritabanları Isı sığası  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Sıkıştırılabilirlik  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Genleşme  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Denklemler Carnot teoremi Clausius teoremi Temel ilişki İdeal gaz yasası Maxwell ilişkileri Çift taraflı Onsager bağıntıları Bridgman denklemleri Termodinamik denklemler tablosu
Potansiyeller Serbest enerji Serbest entropi İç enerji ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpi ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholtz serbest enerjisi ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibbs serbest enerjisi ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
Tarih Kültür Tarih Genel Entropi Gaz yasaları "Devridaim" makineleri Felsefe Entropi ve zaman Entropi ve yaşam Brownian ratchet Maxwell'in Cini Isı ölümü paradoksu Loschmidt paradoksu Sinerjetik Teoriler Kalorik teorisi Vis viva ("yaşam gücü") Isının mekanik eşdeğeri Tahrik gücü Temel yayınlar "An Experimental Enquiry Concerning ... Heat" "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" "Reflections on the Motive Power of Fire" Zaman çizelgeleri Termodinamik Isı makineleri Sanat Eğitim Maxwell'in termodinamik yüzeyi Enerji dağıtımı olarak entropi
Bilim insanları Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Diğer Çekirdeklenme Öztoplanma Özörgütlenme Düzen ve düzensizlik
Kategori

Gibbs serbest enerjisi entalpiden, entropi ve mutlak sıcaklığın çarpımının çıkarılmasıyla elde edilen termodinamik bir değişkendir.^[1] Genel olarak kimyasal bir reaksiyonun enerji potansiyelinin işe dönüştürülebilmesiyle ilgilidir.

1870'li yıllarda Josiah Willard Gibbs tarafından bir sürecin sabit bir basınç ve sıcaklık koşullarında kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini tahmin etmek amacıyla tanımlanmıştır.^[2] Bir sürecin kendiliğinden gerçekleşip gerçekleşemeyeceğinin belirlenebilmesi için sistemin entropisindeki değişimin (ΔS°(sistem)) ve çevrenin entropisindeki değişimin (ΔS°(çevre)) bilinmesi gerekmektedir. Öte yandan Gibbs serbest enerjisi bilinmesi gerekenleri tek bir termodinamik işlev altında toplayan ve kendiliğinden gerçekleşmenin belirlenmesinde çevrenin entropisindeki değişimin hesaplanmasına gerek duyurmayan bir kavram ortaya koyar. Matematiksel olarak Gibbs enerjisi aşağıdaki gibi ifade edilir;

${\displaystyle G=H-TS}$

Burada;

H: Entalpi

T: Kelvin sıcaklığı

S: ise entropi değeridir.

Ayrıca bu eşitlikte G, H ve S sistemin değişkenleridir.
Her maddenin serbest enerjisi vardır fakat bu değer nadiren bilinebilmektedir. Mutlak serbest enerji değerinin yerine fiziksel ve kimyasal süreçlerde bu değerin değişim miktarı kullanılmaktadır. Kimyasal tepkimelerde Gibbs serbest enerjisindeki değişim değerinden yararlanarak, tepkimenin ürünlere mi yoksa reaktanlara mı eğilimli olduğu belirlenebilmektedir. Gibbs enerjisindeki değişim;

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S\,}$

Standart koşullarda Gibbs enerjisindeki değişim;

${\displaystyle \Delta G^{\circ }=\Delta H^{\circ }-T\Delta S^{\circ }\,}$

şeklinde ifade edilmektedir.

Toplam entropi değişimi çevre ve sistem'in entropisindeki değişimin toplamına eşittir ve bu değişim aşağıdaki gibi ifade edilebilinir;

${\displaystyle \Delta S_{e}=\Delta S_{c}+\Delta S_{s}}$

${\displaystyle \Delta S_{e}}$ ${\displaystyle \Delta S_{c}}$ ve ${\displaystyle \Delta S_{s}}$

sırasıyla evrendeki, çevredeki ve sistemdeki entropi değişimleridir. Çevrenin entropisindeki değişim −ΔH(s)/T ifadesine eşit olduğuna göre, eğer yukarıdaki eşitlik yeniden yazılırsa;

${\displaystyle \Delta S_{e}=-{\frac {\Delta H_{s}}{T}}+\Delta S_{s}}$

her iki tarafın -T ile çarpılması sonucu,

${\displaystyle -T\Delta S_{e}=\Delta H_{s}-T\Delta S_{s}}$ elde edilir.

Dolayısıyla;

Sistemin serbest Gibbs enerjisindeki değişim evrenin entropisindeki değişime aşağıdaki ifadedeki gibi orantılıdır.

${\displaystyle \Delta G_{s}=-T\Delta S_{e}}$

Sistemin Gibbs enerjisindeki değişim, evrenin entropisindeki değişime doğru orantılı olduğundan dolayı, fiziksel veya kimyasal değişimlerin kendiliğinden gelişmesi hususunda bir ölçüt olarak kullanılabilinir.

Yukarıdaki tablo bir kimyasal reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşebilme olgusunun ΔrG° değerinin işaretine göre nasıl şekil aldığını özetlemektedir.
Bir reaksiyonun ΔG < 0 olduğunda o reaksiyon ürünler yönünde ilerler reaksiyon denge noktasına ulaşıncaya kadar. Tepkime sürdükce ΔG sıfıra yaklaşır ve denge sağlandığında ΔG = 0'dır. Denge noktası geçildiğinde ΔG > 0 olur ve reaksiyon artık kendiliğinden ürünler yönüne hareket etmez bunun yerine reaktanlar yönüne hareket etme eğilimindedir.
ΔrG ° standart koşullarda tepkimenin gibbs enerjisi ise ΔrG ° ve ΔrG arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir.

${\displaystyle \Delta rG=\Delta rG^{0}+RTlnQ}$

Burada R evrensel gaz sabiti, T kelvin sıcaklığı ve Q tepkime orantısıdır.

Genel bir kimyasal tepkime denklemi aşağıdaki gibi ifade edilirse;

${\displaystyle aA+bB\leftrightarrow cC+dD}$

Q tepkime orantısı

${\displaystyle Q={\frac {{[C]}^{c}{[D]}^{d}}{{[A]}^{a}{[B]}^{b}}}}$ şeklindedir.

Sistem denge noktasına ulaştığında ΔrG = 0 ve Q = K (kimyasal denge sabiti) olur. Yukarıdaki eşitlik yeniden yazıldığında;

${\displaystyle 0=\Delta rG^{0}+RTlnK}$
ifadesi elde edilir. Bu eşitlikten anlaşılması gereken, eğer ΔrG° <0 ise, denge sabiti 1'den büyüktür ve reaksiyon ürünlerin miktarını artırmaya eğilimlidir. Diğer taraftan eğer ΔrG° > 0 ise K değeri 1'den küçüktür ve tepkime ters yönde ilerlemeye eğilimlidir. ΔrG° = 0 olduğunda K 1'e eşit olur ve tepkime dengeye ulaşmıştır.

${\displaystyle \Delta rG=\Delta rG^{0}+RTlnQ}$

ifadesindeki ΔrG° eğer -RTlnK'ile yer değiştirilirse;

${\displaystyle \Delta rG=-RTlnK+RTlnQ}$

ifadesi ortaya çıkar. Bu ifade de tekrar yazıldığında

${\displaystyle {\frac {\Delta rG}{RT}}=-lnK+lnQ}$

elde edilir.

Dolayısıyla bir reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşmesi için ΔrG sıfırdan küçük olmalıdır, diğer bir ifadeyle Q < K olmalıdır. Diğer taraftan tepkimenin reaktanlar yönüne eğilimli olabilmesi için ΔrG sıfırdan büyük olmalıdır bu da Q > K olmasını gerektirir.

• Townsend, John C. Kotz, Paul M. Treichel, John R.. Chemistry & chemical reactivity (8th ed. bas.). Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning. ISBN 0-8400-48289.
• [et (2010) al.], Ralph H. Petrucci ... . General chemistry : principles and modern applications (10th ed. bas.). Toronto: Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-206452-1.