Free Energy   자유 에너지

(2025-01-24)

Gibbs, 깁스 자유 에너지, 깁스 에너지


1. Gibbs 자유 에너지화학반응의 (스스로 일어나는) 자발적 경향성을 예측하는 데 쓰이는 열역학적 함수
     - 즉, 주위와는 별개로, 오로지  내부의 변화 만으로, 자발성을 설명하기 위함

  ※ Josiah Willard Gibbs (1839~1903) : 미국의 이론 물리 학자, 화학자
     - 화학반응자발적 과정인가 아닌가를 예측하기 위한 상태 함수로써 G를 제안 (1878년)


2. 자유 에너지의 정의 및 의의

  ㅇ 자유 에너지 G의 정의  :  G = H - T·S
     - `자유 에너지(G)`를, `엔탈피(H),온도(T),엔트로피(S)`와 결합시켜 정의 함

  ㅇ 자유 에너지 G의 변화량  :  등온 과정의 경우
     - ΔG = ΔH - TΔS   
        . ΔG : 자유 에너지 변화량 
        . T   : 절대온도 (여기서는, 일정/등온 가정)
        . ΔH : 엔탈피 (필요한 에너지량으로써의 반응열 : 발열, 흡열)
        . ΔS : 엔트로피 (무질서의 척도)

     - 한편, 표준 생성 에너지에 의해 다르게 표현하면  ☞ 위키백과 (깁스 자유 에너지) 
        . ΔG = ΔG0 + RT ln Q

  ㅇ 자유 에너지 G의 의의  
     - 열역학적 상태량함수 표현 : 상태 함수 (G)
        . 즉, 자유 에너지(G)는, 열역학적 상태들(H,T,S)에 의해 결정되는 함수 : G(H,T,S)
     - 화학과정(특정 온도,압력 조건)의 자발적 변화 방향을 알 수 있음
        . 특히, 자발성의 온도 의존성을 다루는데 유용


3. 자유 에너지의 변화량, 부호, 방향성화학반응에서, 자유 에너지의 변화량 (ΔG)
     - 생성물(마지막)의 자유 에너지 총합과 반응물(처음)의 자유 에너지 총합 간의 차이
        .  ΔG = G생성물 - G반응물 = G마지막 상태 - G처음 상태

  ㅇ 자유 에너지 변화량(ΔG)의 부호
     -  (+) : 비 자발적 과정    (ΔG > 0)
     -  (0) : 열역학적 평형상태 (ΔG = 0)
     -  (-) : 자발적 과정       (ΔG < 0)
        . 자발적인 과정일 때, 열역학적 계의 변화의 방향성은,
        . 자유 에너지가 감소(-)하는 방향으로 진행됨 

  ※ 따라서,
     - 불안정한 일수록 : 높은 G 값 (더 많은 자유 에너지)
     - 안정한 일수록 : 낮은 G 값 (더 적은 자유 에너지)
        . 는 보다 안정된 쪽으로 움직여질 것으로 예상됨
     - 자유 에너지가 극소로 될 때(영과 가까워질 때), 열 평형 상태가 실현됨
        . 이때의 자유 에너지는 변화가 없는 상태임
           .. 例) 결정 : 자유 에너지가 매우 작은 열평형 상태
     - 즉,
        . 평형으로부터 멀어질 때, 자유 에너지는 증가함
        . 어떤 과정이 평형으로 이동할 때 만, 그 과정은 자발적이면서, 을 수행 가능함

  ※ 결국, 자발적인 과정에서,
     - 의 자유 에너지는 감소하며, 
     - 방출된 자유 에너지을 할 수 있도록 동력화되고,
     - 는 더 안정적으로 되어짐

[화학반응]1. 화학 반응   2. 화학반응 용어   3. 화학 반응 종류   4. 발열/흡열 반응   5. 자발적 과정   6. 자유 에너지   7. 결합 엔탈피   8. [화학 평형]   9. [화학반응 속도론]   10. [용해 침전 반응]   11. [산화 환원 반응]   12. [산 염기 반응]  

[열열학적 계]1. 열역학 계   2. 자유 에너지   3. [열역학 상태,과정,경로]   4. [열역학 상(相,phase)]   5. [열역학 평형]  

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