Energia livre de Gibbs

Core idea

Overview

A energia livre de Gibbs quantifica a quantidade máxima de trabalho não-expansivo extraível de um sistema termodinamicamente fechado a pressão e temperatura constantes. Serve como um critério crítico para a espontaneidade, onde um valor negativo indica que uma reação prosseguirá sem entrada de energia externa, equilibrando entalpia e entropia.

When to use: Use esta equação para prever a espontaneidade de reações químicas ou mudanças de fase sob condições de temperatura e pressão constantes. É particularmente útil ao determinar a temperatura na qual uma reação muda de não espontânea para espontânea.

Why it matters: Esta fórmula é a base da energética química, permitindo aos cientistas calcular constantes de equilíbrio e projetar processos químicos industriais. Na biologia, explica como as células acoplam reações desfavoráveis com as favoráveis para impulsionar vias metabólicas que sustentam a vida.

Symbols

Variables

$Δ$ H = Enthalpy Change, $Δ$ S = Entropy Change, T = Temperature, $Δ$ G = Gibbs Free Energy

Δ H

Enthalpy Change

kJ/mol

Δ S

Entropy Change

kJ/molK

T

Temperature

K

Δ G

Gibbs Free Energy

kJ/mol

Walkthrough

Derivation

Fórmula: Energia Livre de Gibbs

Prevê a viabilidade de um processo a temperatura e pressão constantes usando mudanças de entalpia e entropia.

Temperatura e pressão permanecem constantes.

1

Declare a Equação de Gibbs:

A energia livre de Gibbs combina efeitos de entalpia ( $Δ$ H) e entropia ( $Δ$ S) à temperatura T (K).

Δ G = Δ H - T Δ S

2

Interprete a Viabilidade:

Um $Δ$ G negativo indica uma direção espontânea viável sob as condições declaradas.

Δ G < 0 (spontaneous), Δ G = 0 (equilibrium)

Note: Atenção às unidades: $Δ$ H frequentemente em kJ mol^{-1}; $Δ$ S frequentemente em J $K^{- 1}$ mol^{-1}, portanto, converta se necessário.

Result

Δ G < 0 (spontaneous), Δ G = 0 (equilibrium)

Source: OCR A-Level Chemistry A — Thermodynamics

Free formulas

Rearrangements

Solve for $Δ H$

Isolar Delta H

Δ H = Δ G + T Δ S

Para tornar $Δ$ H o assunto da equação de energia livre de Gibbs, adicione TΔ S a ambos os lados da equação.

Difficulty: 2/5

Solve for $Δ S$

Isolar Delta S

Δ S = \frac{Δ H - Δ G}{T}

Para tornar $Δ$ S o assunto da equação de energia livre de Gibbs, primeiro isole o termo TΔ S, depois divida por T e ajuste para o sinal negativo.

Difficulty: 2/5

Solve for $T$

Isolar T

T = \frac{Δ H - Δ G}{Δ S}

Para tornar T o sujeito da equação de energia livre de Gibbs, primeiro subtraia $Δ$ H, depois multiplique por -1 e, finalmente, divida por $Δ$ S.

Difficulty: 2/5

The static page shows the finished rearrangements. The app keeps the full worked algebra walkthrough.

Visual intuition

Graph

O gráfico exibe uma linha reta onde o intercepto em y representa a variação de entalpia e a inclinação é determinada pela variação negativa de entropia. Para um estudante de química, essa relação linear significa que, conforme a temperatura aumenta, a espontaneidade da reação muda a uma taxa constante, dependendo se a variação de entropia é positiva ou negativa. A característica mais importante desta curva é o intercepto em x, que identifica a temperatura específica onde a energia livre de Gibbs atinge zero e a reação transita entre ser espontânea e não espontânea.

Graph type: linear

Why it behaves this way

Intuition

A energia livre de Gibbs representa um equilíbrio entre a tendência de um sistema minimizar sua energia (entalpia) e maximizar sua desordem (entropia), com a temperatura determinando o peso relativo da contribuição da desordem.

Term

Mudança na energia livre de Gibbs. Representa o trabalho não-PV máximo obtível de um sistema a temperatura e pressão constantes.

A energia 'útil' disponível de uma reação. Um valor negativo indica um processo espontâneo.

Term

Mudança na entalpia. Representa o calor absorvido ou liberado por um sistema a pressão constante.

Reações exotérmicas (entalpia negativa

Δ

H) liberam calor e tendem a favorecer a espontaneidade.

Term

Temperatura absoluta, tipicamente em Kelvin.

Escala a importância do termo de entropia. Temperaturas mais altas amplificam o efeito da entropia na espontaneidade.

Term

Mudança na entropia. Uma medida da dispersão de energia ou desordem dentro de um sistema.

Reações que aumentam a desordem (entropia positiva

Δ

S) tendem a favorecer a espontaneidade.

Signs and relationships

-TΔ S: O sinal negativo indica que um aumento na entropia (entropia positiva $Δ$ S) torna $Δ$ G mais negativo, favorecendo assim a espontaneidade. Este termo representa a energia 'perdida' para aumentar a desordem, que não está disponível para

Free study cues

Insight

Canonical usage

Esta equação relaciona grandezas de energia (energia livre de Gibbs, entalpia) e entropia em uma dada temperatura, normalmente usando unidades do SI para manter a consistência.

Ballpark figures

Quantity:

One free problem

Practice Problem

Uma reação tem ΔH = -180 kJ/mol e ΔS = -0.15 kJ/(mol·K). Calcule ΔG a T = 500 K. A reação é espontânea a esta temperatura?

Hint: ΔG = ΔH - TΔS. Mantenha todas as unidades em kJ/mol.

The full worked solution stays in the interactive walkthrough.

Where it shows up

Real-World Context

Ao determinar if a reaction is feasible at a given temperature, Gibbs free energy é utilizado para calcular the G value from Enthalpy Change, Entropy Change, and Temperature. O resultado importa porque ajuda a conectar as quantidades medidas ao rendimento da reação, concentração, variação de energia, taxa ou equilíbrio.

Study smarter

Tips

Sempre converta a temperatura para Kelvin adicionando 273.15 ao valor Celsius.
Verifique se as unidades para Entalpia (geralmente kJ) e Entropia (geralmente J/K) são consistentes, dividindo a Entropia por 1000.
Um ΔG negativo indica um processo espontâneo, enquanto um ΔG positivo indica um processo não espontâneo.
Quando ΔG é igual a zero, o sistema atingiu o equilíbrio químico.

Avoid these traps

Common Mistakes

Misturar kJ e J
Usar Celsius em vez de Kelvin.

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Related Formulas

Common questions

Frequently Asked Questions

Prevê a viabilidade de um processo a temperatura e pressão constantes usando mudanças de entalpia e entropia.

Use esta equação para prever a espontaneidade de reações químicas ou mudanças de fase sob condições de temperatura e pressão constantes. É particularmente útil ao determinar a temperatura na qual uma reação muda de não espontânea para espontânea.

Esta fórmula é a base da energética química, permitindo aos cientistas calcular constantes de equilíbrio e projetar processos químicos industriais. Na biologia, explica como as células acoplam reações desfavoráveis com as favoráveis para impulsionar vias metabólicas que sustentam a vida.

Misturar kJ e J Usar Celsius em vez de Kelvin.

Ao determinar if a reaction is feasible at a given temperature, Gibbs free energy é utilizado para calcular the G value from Enthalpy Change, Entropy Change, and Temperature. O resultado importa porque ajuda a conectar as quantidades medidas ao rendimento da reação, concentração, variação de energia, taxa ou equilíbrio.

Sempre converta a temperatura para Kelvin adicionando 273.15 ao valor Celsius. Verifique se as unidades para Entalpia (geralmente kJ) e Entropia (geralmente J/K) são consistentes, dividindo a Entropia por 1000. Um ΔG negativo indica um processo espontâneo, enquanto um ΔG positivo indica um processo não espontâneo. Quando ΔG é igual a zero, o sistema atingiu o equilíbrio químico.

References

Sources

Atkins' Physical Chemistry
IUPAC Gold Book: Gibbs energy
Wikipedia: Gibbs free energy
IUPAC Gold Book: Enthalpy
IUPAC Gold Book: Entropy
Callen, Herbert B. Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics
Callen's Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics
IUPAC Gold Book: Gibbs Free Energy

Overview

Variables

Derivation

Declare a Equação de Gibbs:

Interprete a Viabilidade:

Rearrangements

Graph

Intuition

Insight

Practice Problem

Real-World Context

Tips

Common Mistakes

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