Calculadora de energía libre de Gibbs
Uno de los retos de utilizar la segunda ley de la termodinámica para determinar si un proceso es espontáneo es que debemos determinar el cambio de entropía del sistema y el cambio de entropía del entorno. A finales del siglo XIX, el matemático estadounidense Josiah Willard Gibbs introdujo un enfoque alternativo que incluye una nueva propiedad termodinámica definida únicamente en términos de las propiedades del sistema. Esta nueva propiedad se denomina cambio de energía libre de Gibbs (G) (o simplemente la energía libre), y se define en términos de la entalpía y la entropía de un sistema de la siguiente manera:
El cambio de energía libre es, por tanto, un indicador fiable de la espontaneidad de un proceso, estando directamente relacionado con el indicador de espontaneidad previamente identificado, ΔSuniv. La tabla 3 resume la relación entre la espontaneidad de un proceso y los signos aritméticos de estos indicadores.
La energía libre es una función de estado, por lo que su valor depende únicamente de las condiciones de los estados inicial y final del sistema que han sufrido algún cambio. Un enfoque conveniente y común para el cálculo de los cambios de energía libre para las reacciones físicas y químicas es mediante el uso de compilaciones ampliamente disponibles de datos termodinámicos de estado estándar. Un método implica el uso de entalpías y entropías estándar para calcular los cambios de energía libre estándar de acuerdo con la siguiente relación, como se demuestra en el ejemplo 1.
Cálculo de la energía libre de Gibbs
Después de aprender que las reacciones químicas liberan energía cuando se rompen los enlaces que almacenan energía, una pregunta importante es la siguiente: ¿Cómo se cuantifica y expresa la energía asociada a estas reacciones químicas? ¿Cómo se puede comparar la energía liberada por una reacción con la de otra? Para cuantificar estas transferencias de energía se utiliza la medición de la energía libre. Recordemos que, según la segunda ley de la termodinámica, todas las transferencias de energía implican la pérdida de cierta cantidad de energía en una forma no utilizable, como el calor. La energía libre se refiere específicamente a la energía asociada a una reacción química que está disponible después de contabilizar las pérdidas. En otras palabras, la energía libre es la energía utilizable, o la energía que está disponible para realizar un trabajo. Si consideramos este concepto en un sentido biológico, la energía libre es la energía de una molécula que puede utilizarse para realizar un trabajo. La glucosa tiene mucha energía libre porque hay mucha energía almacenada en los enlaces de la molécula de glucosa. El dióxido de carbono tiene una energía libre mucho menor porque hay mucha menos energía almacenada en sus enlaces.
Energía libre de Gibbs
La dirección del cambio espontáneo es la dirección en la que aumenta la entropía total. El cambio de entropía total, también llamado cambio de entropía del universo, es la suma del cambio de entropía de un sistema y de su entorno:
Cambio de energía libre estándar, DGo -el cambio de energía libre estándar, DGo puede calcularse (1) sustituyendo las entalpías y entropías estándar de reacción y una temperatura Kelvin en la ecuación de Gibbs o (2) combinando las energías libres estándar de formación mediante la expresión
Empezando por el cambio de energía libre a temperatura constante DG° = DH° – TDS°, y con la relación entre DG y la constante de equilibrio, K: DG° = -RT lnK, derive una ecuación lineal que exprese lnK en función de 1/T (una ecuación lineal es de la forma y = mx + b).
Energía libre en el Reino Unido
En termodinámica, la energía libre de Gibbs (nombre recomendado por la IUPAC: energía de Gibbs o función de Gibbs) es un potencial termodinámico que mide el trabajo “útil” o iniciador del proceso que se puede obtener de un sistema termodinámico isotérmico e isobárico. Técnicamente, la energía libre de Gibbs es la cantidad máxima de trabajo no expansivo que puede extraerse de un sistema cerrado o este máximo sólo puede alcanzarse en un proceso completamente reversible. Cuando un sistema pasa de un estado inicial bien definido a un estado final bien definido, la energía libre de Gibbs ΔG es igual al trabajo intercambiado por el sistema con su entorno, menos el trabajo de las fuerzas de presión, durante una transformación reversible del sistema desde el mismo estado inicial al mismo estado final[1].
La energía de Gibbs es también el potencial químico que se minimiza cuando un sistema alcanza el equilibrio a presión y temperatura constantes. Como tal, es un criterio conveniente de espontaneidad para procesos con presión y temperatura constantes.