Gibbsin energia

Gibbsin vapaaenergia, joka tunnetaan myös nimellä Gibbsin energia tai Gibbsin funktioon eräs tärkeimmistä termodynaamisista potentiaaleistaessaessa. Se kuvaa suurinta mahdollista mekaanisen työn määrää, jonka termodynaaminen prosessi voi tehdä vakio paine ja lämpötilassa. Gibbsin energia on saanut nimensä keksijänsä, amerikkalaisen fyysikon Josiah Willard Gibbsin mukaan.

Klassinen termodynamiikka tutkii termodynaamisen systeemin tasapainotilan määräytymistä ja ominaisuuksia. Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaisesti eristetty systeemi pyrkii spontaanisti kehittymään suuntaan, jossa entropia kasvaa, ja lopulta tasapainotila saavutetaan, kun entropia on saavuttanut maksimiarvonsa. Muissa kuin eristetyissä systeemeissä tasapainotila määräytyy jonkin muun potentiaalin kuin entropian ääriarvona. Käytännön teknillisissä prosesseissa usein lämpötila ja paine ovat vakioita. Tällöin voidaan osoittaa, että tasapainotila saavutetaan, kun Gibbsin energia G saa minimiarvon.

Gibbsin energia G määritellään kaavalla

$G=H-TS\backslash ,$,

jossa H on systeemin entalpia, T lämpötila ja S entropia tai yhtäpitävästi sisäenergian U avulla

$G\; =\; U\; +\; pV\; -\; TS\backslash ,$.

Erityisen tärkeä Gibbsin energian sovellusalue on kemiallisten reaktioiden tutkiminen. Jos paine ja lämpötila reaktion jälkeen ovat samat kuin ennen reaktiota, niin reaktion tasapaino – eli yleensä lopputila – löydetään minimoimalla Gibbsin energia. Tästä voidaan määrittää reaktion lopputuotteiden koostumus: siinä esiintyvät yhdisteet ja niiden pitoisuudet, kiderakenteet ja faasit. Käytännössä lasku on helpointa tehdä kirjoittamalla lähtöaineiden ja lopputuotteiden Gibbsin energiat koostumuksen tai osapaineen funktioina ja merkitsemällä alkutilanteen ja lopputilanteen kokonais-Gibbsin energiat yhtä suuriksi. Tästä voidaan lopputilanteen koostumus ratkaista.

Viime aikoina on alettu pohtia Gibbsin energian merkitystä elämän kannalta, sillä biologiset prosessit tapahtuvat tyypillisesti likimain vakiopaineessa ja -lämpötilassa. Toisin kuin entropiaan, Gibbsin energiaan perustuvat tarkastelut pätevät myös avoimissa systeemeissä, kunhan myös käytettävissä oleva kemiallinen potentiaali huomioidaan. Venäläinen kemisti Georgi Gladyshev on jopa ehdottanut biologisen evoluution määrittelemistä Gibbsin energiaa apuna käyttäen.

Aiheesta muualla

• hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
• Gladyshev (2006) The Principle of Substance Stability Is Applicable to All Levels of Organization of Living Matter. Int. J. Mol. Sci. 7, 98