La energía libre de Gibbs obedece a las leyes de la termodinámica.
La energía libre de Gibbs es aquella que permite la utilización de una reacción química para el desarrollo de un trabajo a presión y temperatura constantes. Dicho de otro modo, se trata de la energía disponible para que un sistema termodinámico pueda realizarse.
Este potencial termodinámico hace posible la predicción de la espontaneidad de una reacción. Relacionando la entalpía, la entropía y la temperatura se puede obtener la energía libre de Gibbs: la ecuación correspondiente indica que la energía libre de Gibbs es igual a la entalpía menos el producto de la temperatura y la entropía.
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ResumenDescubrimiento de la energía libre de Gibbs
A la energía libre de Gibbs también se la conoce como energía de Gibbs, función de Gibbs o entalpía libre. Su nombre rinde homenaje al físico estadounidense Josiah Willard Gibbs (1839–1903), reconocido por sus valiosos aportes a la termodinámica.
En la década de 1870, Gibbs presentó una serie de artículos sobre las funciones del estado termodinámico. En ellos, define la entalpía y la entalpía libre y propone nociones como potencial químico, regla de fases y mecánica estadística.
Cuando la temperatura es alta, la reacción endotérmica que aumenta la entropía del sistema se desarrolla con espontaneidad.
Principales conceptos
Es necesario tener en claro diversos conceptos para entender qué es la energía libre de Gibbs. Debe considerarse que un sistema termodinámico es una zona del universo que se toma como objeto de estudio, aislándola del resto. Este sistema puede calificarse como abierto (cuando intercambia materia y energía con el exterior), cerrado (no intercambia materia, pero sí energía) o aislado (no intercambia materia ni energía).
Se llama entalpía (H) a la cantidad de energía que un sistema termodinámico intercambia con el exterior. Se la calcula sumando la energía interna y el producto de la presión y el volumen del sistema.
La idea de entropía (S), en tanto, refiere a la energía que no se usa para la realización de un trabajo. El término se considera como una medida del desorden que evidencia un sistema termodinámico.
La temperatura (T) es otra noción clave. Así se llama a la magnitud física que señala el grado de calor o frío. En el caso específico del calor, a nivel físico es la energía que de un cuerpo pasa a otro, provocando cambios de estado.
La reacción exotérmica que disminuye la entropía del sistema termodinámico resulta espontánea a baja temperatura.
El cálculo de la energía libre de Gibbs
La ecuación que permite calcular la energía libre de Gibbs es la siguiente:
G = H – TS
Hay que tener en cuenta que la variación de la energía libre de Gibbs en una reacción química, considerada una temperatura concreta, señala su espontaneidad. En este marco, la espontaneidad supone que, una vez iniciada la reacción, se desarrolla por sí misma sin requerir un aporte de energía del exterior. La reacción, pues, se despliega hasta que se produce el agotamiento de los reactivos.
Así, la ecuación que se usa para el cálculo de la variación (▲) de la energía libre de Gibbs incluye, justamente, los cambios en la entalpía y la entropía:
▲G = ▲H – T▲S
Cuando un sistema emplea su energía libre (es decir, aquella que está a su disposición para el desarrollo de un trabajo), la variación de la energía libre de Giggs es negativa. Cabe destacar que un sistema no puede producir energía por su cuenta, con lo cual debe conseguirla del exterior si la necesita.
Debe contemplarse que la totalidad de la energía que hay en el sistema se refleja en la entropía. Por eso, cuando se incorpora energía (calor), la entropía crece y las partículas se desordenan.
La variación
La variación de la energía libre de Gibbs revela una condición de la reacción química:
- Si la variación es menor a 0, la reacción es espontánea.
- Si la variación es mayor a 0, la reacción no es espontánea (o sea, se necesita realizar un trabajo para que suceda).
- Si la variación es igual a 0, la reacción está en su condición de equilibrio.
La espontaneidad, en definitiva, es la tendencia que muestra una reacción para desarrollarse de modo natural: si es espontánea, el proceso se lleva a cabo naturalmente. Esto ocurre cuando la variación de la energía libre de Giggs es negativa.
En cambio, si se requiere que el sistema realice un trabajo para que la reacción pueda concretarse, esta reacción es no espontánea. En estos casos, la variación de la energía libre de Giggs es positiva.
Calcular la energía libre de Gibbs es relevante para prever la espontaneidad de una reacción química. Antes de experimentar en un laboratorio, los científicos mucha veces recurren a estos cálculos para saber si requerirán, o no, algún proceso exterior para propiciar que la reacción tenga lugar.
No se puede dejar de mencionar que la variación de la energía libre de Gibbs, como ya hemos visto, está asociada a la temperatura. Hay reacciones químicas que son espontáneas solamente por debajo o por encima de una cierta temperatura; en otros casos, las reacciones pueden ser siempre espontáneas o, por el contrario, nunca espontáneas.
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