Gibsova slobodna energija
U termodinamici, Gibsova slobodna energija (IUPAC preporučeno ime: Gibsova energija ili Gibsova funkcija; takođe poznata kao slobodna entalpija da bi se razlikovala od Helmholcove slobodne energije) termodinamički je potencijal koji predstavlja meru „korisnosti“ ili procesom inicirani rad koji se može dobiti iz termodinamičkog sistema na konstantnoj temperaturi i pritisku (izotermski, izobarni proces). Poput mehanike, gde se potencijalna energija definiše kao kapacitet vršenja rada, različiti potencijali imaju različita značenja. Gibsova slobodna energija je maksimalna količina neekspanzionog rada koji se može dobiti iz zatvorenog sistema; taj maksimum se može ostvariti jedino u kompletno reverzibilnom procesu. Kad se sistem menja iz dobro definisanog inicijalnog stanja do dobro definisanog finalnog stanja, Gibsova slobodna energija -{ΔG}- je jednaka radu razmenjenom između sistema i njegovog okruženja, minus rad sila pritiska, tokom reverzibilne transformacije sistema iz nekog inicijalnog stanja do nekog finalnog stanja.

Gibsova energija (koja se označava sa -{∆G}-) je takođe hemijski potencijal koji dostiže minimum kad je sistem u ekvilibrijumu na konstantnom pritisku i temperaturi. Njegov derivat po reakcionoj koordinati sistema izčezava u ravnotetžnoj tački. Stoga je ona podesan kriterijum spontanosti za procese sa konstantnim pritiskom i temperaturom. Gibsovu slobodnu energiju, koja se originalno nazivala dostupnom energijom, je razvio tokom 1870-tih američki matematičar Džosaja Vilard Gibs. Gibs je 1873. opisao „dostupnu energiju“ kao „najveću količinu mehaničkog rada koja se može dobiti iz date količine pojedine supstance sa datim početnim stanjem, bez povećanja njene totalne zapremine ili dozvoljavanja toploti da pređe na ili sa spoljašnjih tela, izuzev tako da su na kraju procesi na njihovom početnom stanju”.

Pregled 

Reakcioni sistemi pri normalnim uslovima generalno teže da dostignu stanje minimalne slodne energije. Usled ove opšte prirodne tendencije negativna promena Gibsove slobodne energije (-{ΔG}-) je kvantitativna mera povoljnosti potencijalne reakcije. Drugim rečima spontane reakcije oslobađaju energiju. Oslobođena energija je jednaka maksimalnoj količini rada koji se može izvesti kao posledica hemijske reakcije. Nasuprot tome, pozitivna -{ΔG}- vrednost ukazuje da je neophodno dodati energiju u obliku rada reakcinom sistemu da bi se odvila reakcija.

Na jednačinu se može gledati sa perspektive sistema, kao i njegovog okruženja (univerzuma). Za potrebe proračuna, podrazumeva se da je data reakcija jedina reakcija koja se odvija u univerzumu. Stoga je entropija koju sistem oslobođa ili apsorbuje, zapravo entropija koju okruženje respektivno mora da apsorbuje ili oslobodi. Reakcija je dozvoljena jedino ako je totalna promena entropije svemira jednaka nuli (stanje toplotne ravnoteže) ili pozitivna. Na unos toplote u „endotermnu“ hemijsku reakciju (e.g. eliminaciju cikloheksanola do cikloheksena) se može gledati kao sprezanje nasledno nepovoljne reakcije (eliminacije) sa povoljnom (sagorevanjem uglja ili nekim drugim toplotnim izvorom), tako da je totalna promena entropije svemira veća ili jednaka nuli, te je Gibsova slobodna energija spregnute reakcije negativna.

U tradicionalnoj upotrebi, termin „slobodna“ u kontekstu Gibsove slobodne energije sistema pri konstantnom pritisku i temperaturi označeva energiju koja je „dostupna u obliku korisnog rada“. Taj termini ima slično značenje kod Helmholcove slobodne energije, za sisteme na konstantnoj zapremini i temperaturi). Međutim, sve veći broj knjiga i članaka u naučnim žurnalima ne sadrži termin „slobodna“, već se -{G}- jednostavno kao „Gibsovom energijom“. To je ishod jednog IUPAC sastanka iz 1988. na kome je formulisana preporuka da se koristi jedistvena terminologija u međunarodnoj naučnoj zajednici, bez prideva „slobodan“. Taj standard, međutim, nije univerzalno prihvaćen.

Grafička interpretacija 
Gibsova slobodna energija je originalno bila grafički definisana. Američki inžinjer Vilard Gibs je 1873. objavio svoj prvi termodinamički članak, „Grafički metodi u termodinamici fluida“”, u kojem koristi dve koordinate, entropiju i zapreminu, za predstavljanje stanja tela. U svom sledećem članku, „Method geometrijske reprezentacije termodinamičih svojstava supstanci srednjim vrednostima površina“, objavljenom iste godine, Gibs dodaje treću kordinatu, energiju tela. Škotski fizičar Džejms Klerk Maksvel je 1874. koristio Gibsove slike da definiše trodimenzionu termodonamičku površinu energija-entropija-zapremina fiktivne supstance slične vodi. Da bi se razumeo složen koncept Gibsove slobodne energije neophodno je da se razume njegovo tumačenje originalno definisano sekcijom AB na slici 3, kao i njen Maksvelov prikaz na trodimenzionoj površini.

Definicije 

Gibsova slobodna energija se definiše kao:

ili:

gde je: 
 -{U}- - unutrašnja energija (SI jedinica: džul)
 -{p}- - pritisak (SI jedinica: paskal)
 -{V}- - zapemina (SI jedinica: -{m}-3)
 -{T}- - temperatura (SI jedinica: kelvin)
 -{S}- - entropija (SI jedinica: džul po kelvinu)
 -{H}- - entalpija (SI jedinica: džul)

Izraz za infinitezimalnu reverzibilnu promenu Gibsove slobodne energije kao funkcija njegovih prirodnih promenljivih -{p}- i -{T}-, za otvoreni sistem, pod uticajem spoljašnjih sila (na primer električne ili magnetne) -{Xi}-, koje uzrokuju promenu spoljašnjih parametera sistema -{ai}- za količinu -{dai}-, se može izvesti na sledeći način iz Prvog zakona za reverzibilne procese:

gde je:
 -{μi}- - hemijski potencijal -{i}--te hemijske komponente. (SI jedinica: džul po čestici ili džul po molu)
 -{Ni}- - broj čestica (ili broj molova) -{i}--te hemijske komponente.

Ovo je jedna forma Gibsove fundamentalne jednačine. U infinitezimalnom izrazu, član koji sadrži hemijski potencijal objašnjava promene u Gibsovoj slobodnoj energiji koja je rezultat priliva ili odliva čestica. Drugim rečima, ona je primenljiva na otvoreni ili zatvoreni, hemijski reakcioni sistem, gde se -{Ni}- menja. Za zatvoreni, nereakcini sistem, ovaj član se može izostaviti.

Proizvoljan broj dodatnih članova može da bude dodat, u zavisnosti od specifičnog sistema koji se razmatra. Osim mehaničkog rada, sistem može da izvršava i brojne druge tipove rada. Na primer, u infinitezimalnom izrazu, kontraktilna radna energija asocirana sa termodinamičkim sistemom koji je kontraktilno vlakno koje se skraćuje za iznos -{−dl}- pod dejstvom sile -{f}-, rezultirao bi uvođenjem člana -{f dl}-. Ako promenljivu veličinu -{−de}- sistem stiče na električnom potentcijalu Ψ, električni rad vezan za to je -{−Ψ de}-, što se može uključiti u infinitezimalni izraz. Drugi članovi rada se mogu dodati u zavisnosti od zahteva sistema.

Vidi još 
 Slobodna entropija
 Termodinamička slobodna energija

Reference

Literatura

Spoljašnje veze 

 -{IUPAC definition (Gibbs energy)}-
 -{Gibbs energy - Florida State University}-
 -{Gibbs Free Energy - Eric Weissteins World of Physics}-
 -{Entropy and Gibbs Free Energy  - www.2ndlaw.oxy.edu}-
 -{Gibbs free energy calculator}-
 -{Gibbs Free Energy - Georgia State University}-
 -{Gibbs Free Energy Java Applet - University of California, Berkeley}-
 -{Using Gibbs Free Energy for prediction of chemical driven material ageing}-
 -{Topological Analysis of the Gibbs Energy Function (Liquid-Liquid Equilibrium Correlation Data). Including a Thermodinamic Review and a Graphical User Interface (GUI) for Surfaces/Tie-lines/Hessian matrix analysis - University of Alicante (Reyes-Labarta et al. 2015-18)}-

Фундаментални концепти физике
Функције стања
Термодинамичка слободна енергија
U termodinamici , Gibsova slobodna energija ( IUPAC preporučeno ime : Gibsova energija ili Gibsova funkcija ; takođe poznata kao slobodna entalpija da bi se razlikovala od Helmholcove slobodne energije ) termodinamički je potencijal koji predstavlja meru „ korisnosti “ ili procesom inicirani rad koji se može dobiti iz termodinamičkog sistema na konstantnoj temperaturi i pritisku ( izotermski , izobarni proces ) . Poput mehanike , gde se potencijalna energija definiše kao kapacitet vršenja rada , različiti potencijali imaju različita značenja . Gibsova slobodna energija je maksimalna količina neekspanzionog rada koji se može dobiti iz zatvorenog sistema ; taj maksimum se može ostvariti jedino u kompletno reverzibilnom procesu . Kad se sistem menja iz dobro definisanog inicijalnog stanja do dobro definisanog finalnog stanja , Gibsova slobodna energija -{ ΔG }- je jednaka radu razmenjenom između sistema i njegovog okruženja , minus rad sila pritiska , tokom reverzibilne transformacije sistema iz nekog inicijalnog stanja do nekog finalnog stanja . Gibsova energija ( koja se označava sa -{ ∆G }- ) je takođe hemijski potencijal koji dostiže minimum kad je sistem u ekvilibrijumu na konstantnom pritisku i temperaturi . Njegov derivat po reakcionoj koordinati sistema izčezava u ravnotetžnoj tački . Stoga je ona podesan kriterijum spontanosti za procese sa konstantnim pritiskom i temperaturom . Gibsovu slobodnu energiju , koja se originalno nazivala dostupnom energijom , je razvio tokomtih američki matematičar Džosaja Vilard Gibs . Gibs je opisao „ dostupnu energiju “ kao „ najveću količinu mehaničkog rada koja se može dobiti iz date količine pojedine supstance sa datim početnim stanjem , bez povećanja njene totalne zapremine ili dozvoljavanja toploti da pređe na ili sa spoljašnjih tela , izuzev tako da su na kraju procesi na njihovom početnom stanju ” . Pregled Reakcioni sistemi pri normalnim uslovima generalno teže da dostignu stanje minimalne slodne energije . Usled ove opšte prirodne tendencije negativna promena Gibsove slobodne energije ( -{ ΔG }- ) je kvantitativna mera povoljnosti potencijalne reakcije . Drugim rečima spontane reakcije oslobađaju energiju . Oslobođena energija je jednaka maksimalnoj količini rada koji se može izvesti kao posledica hemijske reakcije . Nasuprot tome , pozitivna -{ ΔG }- vrednost ukazuje da je neophodno dodati energiju u obliku rada reakcinom sistemu da bi se odvila reakcija . Na jednačinu se može gledati sa perspektive sistema , kao i njegovog okruženja ( univerzuma ) . Za potrebe proračuna , podrazumeva se da je data reakcija jedina reakcija koja se odvija u univerzumu . Stoga je entropija koju sistem oslobođa ili apsorbuje , zapravo entropija koju okruženje respektivno mora da apsorbuje ili oslobodi . Reakcija je dozvoljena jedino ako je totalna promena entropije svemira jednaka nuli ( stanje toplotne ravnoteže ) ili pozitivna . Na unos toplote u „ endotermnu “ hemijsku reakciju ( e.g. eliminaciju cikloheksanola do cikloheksena ) se može gledati kao sprezanje nasledno nepovoljne reakcije ( eliminacije ) sa povoljnom ( sagorevanjem uglja ili nekim drugim toplotnim izvorom ) , tako da je totalna promena entropije svemira veća ili jednaka nuli , te je Gibsova slobodna energija spregnute reakcije negativna . U tradicionalnoj upotrebi , termin „ slobodna “ u kontekstu Gibsove slobodne energije sistema pri konstantnom pritisku i temperaturi označeva energiju koja je „ dostupna u obliku korisnog rada “ . Taj termini ima slično značenje kod Helmholcove slobodne energije , za sisteme na konstantnoj zapremini i temperaturi ) . Međutim , sve veći broj knjiga i članaka u naučnim žurnalima ne sadrži termin „ slobodna “ , već se -{ G }- jednostavno kao „ Gibsovom energijom “ . To je ishod jednog IUPAC sastanka iz na kome je formulisana preporuka da se koristi jedistvena terminologija u međunarodnoj naučnoj zajednici , bez prideva „ slobodan “ . Taj standard , međutim , nije univerzalno prihvaćen . Grafička interpretacija Gibsova slobodna energija je originalno bila grafički definisana . Američki inžinjer Vilard Gibs je objavio svoj prvi termodinamički članak , „ Grafički metodi u termodinamici fluida “ ” , u kojem koristi dve koordinate , entropiju i zapreminu , za predstavljanje stanja tela . U svom sledećem članku , „ Method geometrijske reprezentacije termodinamičih svojstava supstanci srednjim vrednostima površina “ , objavljenom iste godine , Gibs dodaje treću kordinatu , energiju tela . Škotski fizičar Džejms Klerk Maksvel je koristio Gibsove slike da definiše trodimenzionu termodonamičku površinu energija-entropija-zapremina fiktivne supstance slične vodi . Da bi se razumeo složen koncept Gibsove slobodne energije neophodno je da se razume njegovo tumačenje originalno definisano sekcijom AB na slici kao i njen Maksvelov prikaz na trodimenzionoj površini . Definicije Gibsova slobodna energija se definiše kao : ili : gde je : -{ U }- - unutrašnja energija ( SI jedinica : džul ) -{ p }- - pritisak ( SI jedinica : paskal ) -{ V }- - zapemina ( SI jedinica : -{ m } -3 ) -{ T }- - temperatura ( SI jedinica : kelvin ) -{ S }- - entropija ( SI jedinica : džul po kelvinu ) -{ H }- - entalpija ( SI jedinica : džul ) Izraz za infinitezimalnu reverzibilnu promenu Gibsove slobodne energije kao funkcija njegovih prirodnih promenljivih -{ p }- i -{ T }- , za otvoreni sistem , pod uticajem spoljašnjih sila ( na primer električne ili magnetne ) -{ Xi }- , koje uzrokuju promenu spoljašnjih parametera sistema -{ ai }- za količinu -{ dai }- , se može izvesti na sledeći način iz Prvog zakona za reverzibilne procese : gde je : -{ μi }- - hemijski potencijal -{ i } --te hemijske komponente . ( SI jedinica : džul po čestici ili džul po molu ) -{ Ni }- - broj čestica ( ili broj molova ) -{ i } --te hemijske komponente . Ovo je jedna forma Gibsove fundamentalne jednačine . U infinitezimalnom izrazu , član koji sadrži hemijski potencijal objašnjava promene u Gibsovoj slobodnoj energiji koja je rezultat priliva ili odliva čestica . Drugim rečima , ona je primenljiva na otvoreni ili zatvoreni , hemijski reakcioni sistem , gde se -{ Ni }- menja . Za zatvoreni , nereakcini sistem , ovaj član se može izostaviti . Proizvoljan broj dodatnih članova može da bude dodat , u zavisnosti od specifičnog sistema koji se razmatra . Osim mehaničkog rada , sistem može da izvršava i brojne druge tipove rada . Na primer , u infinitezimalnom izrazu , kontraktilna radna energija asocirana sa termodinamičkim sistemom koji je kontraktilno vlakno koje se skraćuje za iznos -{ −dl }- pod dejstvom sile -{ f }- , rezultirao bi uvođenjem člana -{ f dl }- . Ako promenljivu veličinu -{ −de }- sistem stiče na električnom potentcijalu Ψ , električni rad vezan za to je -{ −Ψ de }- , što se može uključiti u infinitezimalni izraz . Drugi članovi rada se mogu dodati u zavisnosti od zahteva sistema . Vidi još Slobodna entropija Termodinamička slobodna energija Reference Literatura Spoljašnje veze -{ IUPAC definition ( Gibbs energy ) }- -{ Gibbs energy - Florida State University }- -{ Gibbs Free Energy - Eric Weissteins World of Physics }- -{ Entropy and Gibbs Free Energy - www.2ndlaw.oxy.edu }- -{ Gibbs free energy calculator }- -{ Gibbs Free Energy - Georgia State University }- -{ Gibbs Free Energy Java Applet - University of California , Berkeley }- -{ Using Gibbs Free Energy for prediction of chemical driven material ageing }- -{ Topological Analysis of the Gibbs Energy Function ( Liquid-Liquid Equilibrium Correlation Data ) . Including a Thermodinamic Review and a Graphical User Interface ( GUI ) for Surfaces / Tie-lines / Hessian matrix analysis - University of Alicante ( Reyes-Labarta et al.- Фундаментални концепти физике Функције стања Термодинамичка слободна енергија