ENERGI BEBAS GIBBS: SATUAN, CARA MENGHITUNGNYA, LATIHAN YANG DISELESAIKAN - KIMIA - 2024

The energi bebas Gibbs (umumnya dikenal sebagai G) merupakan potensi termodinamika didefinisikan sebagai perbedaan dari H entalpi, minus produk dari suhu T, S entropi dari sistem:

Energi bebas Gibbs diukur dalam Joule (menurut Sistem Internasional), dalam erg (untuk Sistem Satuan Cegesimal), dalam kalori atau dalam elektron volt (untuk elektro Volt).

Gambar 1. Diagram yang menunjukkan definisi energi Gibbs dan hubungannya dengan potensial termodinamika lainnya. Sumber: nuklir-power.net.

Pada proses yang terjadi pada suhu dan tekanan konstan, variasi energi bebas Gibbs adalah ΔG = ΔH - T ΔS. Dalam proses seperti itu, (G) mewakili energi yang tersedia di sistem yang dapat diubah menjadi kerja.

Misalnya, dalam reaksi kimia eksotermik, entalpi menurun sementara entropi meningkat. Dalam fungsi Gibbs, kedua faktor ini dilawan, tetapi hanya jika energi Gibbs berkurang, reaksi terjadi secara spontan.

Jadi jika variasi G negatif, prosesnya spontan. Ketika fungsi Gibbs mencapai minimumnya, sistem mencapai keadaan kesetimbangan yang stabil. Singkatnya, dalam proses di mana tekanan dan suhu tetap konstan, kami dapat menegaskan:

- Jika prosesnya spontan, maka ΔG <0

- Saat sistem berada dalam kesetimbangan: ΔG = 0

- Dalam proses non-spontan G meningkat: ΔG> 0.

Bagaimana cara menghitungnya?

Energi bebas gibbs (G) dihitung menggunakan definisi yang diberikan di awal:

Selanjutnya, entalpi H adalah potensial termodinamika yang didefinisikan sebagai:

- Selangkah demi selangkah

Selanjutnya, analisis langkah-demi-langkah akan dilakukan untuk mengetahui variabel independen yang fungsi energi Gibbs:

1- Dari hukum pertama termodinamika kita mengetahui bahwa energi internal U terkait dengan entropi S sistem dan volume V-nya untuk proses yang dapat dibalik melalui hubungan diferensial:

Dari persamaan ini dapat disimpulkan bahwa energi dalam U merupakan fungsi dari variabel S dan V:

2- Mulai dari definisi H dan mengambil diferensial, kami memperoleh:

3- Mengganti ekspresi untuk dU yang diperoleh di (1) kita memiliki:

Dari sini disimpulkan bahwa entalpi H bergantung pada entropi S dan tekanan P, yaitu:

4- Sekarang selisih total energi bebas Gibbs dihitung dengan memperoleh:

Dimana dH telah diganti dengan ekspresi yang ditemukan di (3).

5- Akhirnya, ketika menyederhanakan, kita memperoleh: dG = VdP - SdT, memperjelas bahwa energi bebas G bergantung pada tekanan dan suhu T sebagai:

- Hubungan termodinamika Maxwell

Dari analisis pada bagian sebelumnya dapat disimpulkan bahwa energi internal suatu sistem merupakan fungsi dari entropi dan volume:

Maka diferensial U adalah:

Dari ekspresi turunan parsial ini, yang disebut hubungan termodinamika Maxwell dapat diturunkan. Turunan parsial berlaku jika suatu fungsi bergantung pada lebih dari satu variabel dan mudah dihitung menggunakan teorema di bagian berikutnya.

Hubungan pertama Maxwell

∂ _V T- _S = -∂ _S P- _V

Untuk sampai pada hubungan ini, teorema Clairaut - Schwarz tentang turunan parsial telah digunakan, yang menyatakan sebagai berikut:

Hubungan kedua Maxwell

Berdasarkan apa yang ditunjukkan pada poin 3 di bagian sebelumnya:

Itu bisa diperoleh:

Kita melanjutkan dengan cara yang sama dengan energi bebas Gibbs G = G (P, T) dan dengan energi bebas Helmholtz F = F (T, V) untuk mendapatkan dua hubungan termodinamika Maxwell lainnya.

Gambar 2. Josiah Gibbs (1839-1903) adalah seorang fisikawan Amerika, ahli kimia dan matematika yang memberikan kontribusi besar pada termodinamika. Sumber: Wikimedia Commons.

Empat hubungan termodinamika Maxwell

Latihan 1

Hitung variasi energi bebas Gibbs untuk 2 mol gas ideal pada suhu 300K selama pemuaian isotermal yang mengubah sistem dari volume awal 20 liter menjadi volume akhir 40 liter.

Larutan

Mengingat definisi energi bebas Gibbs yang kita miliki:

Maka variasi terbatas dari F adalah:

Apa yang diterapkan pada kasus latihan ini tetap:

Kemudian kita bisa mendapatkan perubahan energi Helmholtz:

Latihan 2

Memperhatikan bahwa energi bebas Gibbs merupakan fungsi dari temperatur dan tekanan G = G (T, P); menentukan variasi G selama proses di mana suhu tidak berubah (isotermal) untuk n mol gas ideal monatomik.

Larutan

Seperti yang ditunjukkan di atas, perubahan energi Gibbs hanya bergantung pada perubahan suhu T dan volume V, sehingga variasi yang sangat kecil dihitung menurut:

Tetapi jika itu adalah proses di mana suhunya konstan maka dF = + VdP, sehingga variasi tekanan hingga ΔP menyebabkan perubahan energi Gibbs yang diberikan oleh:

Menggunakan persamaan gas ideal:

Selama proses isotermal terjadi bahwa:

Itu adalah:

Sehingga hasil sebelumnya dapat ditulis sebagai fungsi dari variasi volume ΔV:

Latihan 3

Mempertimbangkan reaksi kimia berikut:

N ₂ 0 (g) + (3/2) O ₂ (g) ↔️ 2NO ₂ (g) pada suhu T = 298 K

Tentukan variasi energi bebas Gibbs dan, dengan menggunakan hasil yang diperoleh, tunjukkan apakah ini merupakan proses spontan atau tidak.

Larutan

Berikut langkah-langkahnya:

- Langkah pertama: entalpi reaksi

- Langkah kedua: variasi entropi reaksi

- Langkah ketiga: variasi dalam fungsi Gibbs

Nilai ini akan menentukan keseimbangan antara energi yang menurun dan entropi yang meningkat untuk mengetahui apakah reaksi tersebut akhirnya spontan atau tidak.

Karena ini merupakan variasi negatif dari energi Gibbs, maka dapat disimpulkan bahwa ini adalah reaksi spontan pada suhu 298 K = 25 ºC.

Referensi

1. Chestnut E. Latihan energi gratis. Diperoleh dari: lidiaconlaquimica.wordpress.com.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. Edisi ke-7. McGraw Hill.
3. Libretexts. Energi Bebas Gibbs. Diperoleh dari: chem.libretexts.org
4. Libretexts. Apa itu Energi Gratis. Diperoleh dari: chem.libretexts.org
5. Wikipedia. Energi bebas Gibbs. Diperoleh dari: es.wikipedia.com
6. Wikipedia. Energi bebas Gibbs. Diperoleh dari: en.wikipedia.com