In einem anderen Kapitel wurd die Enthalpie H vorgestellt. In der Allgemeinen Chemie hatten wir nur die Energ (=> Wärme) betrachtet, die bei einer chemischen Reaktion umgesetzt wird. Da sich bei einer chemischen Reaktion auch (bedingt durch freiwerdende Wärme) das Volumen ändert, muss auch noch Druck-Volumenarbeit eingebezogen werden (=> Enthalpie). Die Enthalpie ist ein Maß für das Potential eines thermodynamischen Systems. Die Enthalpie setzt sich additiv aus der inneren Energie U und der Volumenarbeit pV abzüglich der Entropie S zusammen.
In der Enthalpie H ist also immer die Volumenarbeit eines Stoffes in einem betrachteten System enthalten. Mit dieser Größe H können wir die Energieerhaltung in einem System ausdrücken (mit Hilfe der Enthalpie H können wir zeigen, dass bei einer chemischen Reaktion keine Energie aus dem Nichts erzeugt wird). Die Enthalpie H erklärt aber nicht, warum Prozesse in einer bestimmten Richtung ablaufen (warum fließt Wärme immer vom warmen zum kalten System).
Die Enthalpie H kann also ein thermodynamisches System noch nicht vollständig beschreiben. Hierfür wird eine neue Größe eingeführt, die sogenannte freie Enthalpie G. Mit Hilfe dieser Größe wollen wir beschreiben, in welche Richtung ein Prozess in einem betrachteten System freiwillig abläuft (Hinweis: das Lösen von Salzen in Wasser bei bestimmten Salzen ein endothermer Vorgang, der Prozess läuft aber von alleine ab).
Die Enthalpie H wird daher um eine weitere Zustandsgröße erweitert, nämlich um die Entropie S. Erst die Kombination aus Enthalpie H und Entropie S erlaubt, ein thermodynamisches System vollständig zu beschreiben. Die neue Zustandsgröße, die Enthalpie und Entropie berücksichtigt, wird als freie Enthalpie G bezeichnet.
Als Gleichung:
Die freie Enthalpie G = U + p·V – T·S oder G = H – T·S,
wobei U = innere Energie, H = Enthalpie, T = Temperatur in Kelvin und S = Entropie.
Anwendungen:
Die Gesetze der Thermodynamik gelten für jede chemische Reaktion, dabei beschreibt die Thermodynamik die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Energieformen und lässt darauf schließen, ob eine Reaktion abläuft bzw. welche Bedingungen nötig wären, damit eine Reaktion abläuft. Mit Hilfe der Enthalpie H wird bestimmt, ob ein Prozess energetisch begünstigt ist und mit der freien Enthalpie G, ob dieser Prozess auch freiwillig abläuft.
Allgemein gilt:
Die Freie Enthalpie G ist ein aus der Thermodynamik stammendes Konzept, das die maximale Arbeit darstellt, die ein thermodynamisches System bei konstanter Temperatur und konstantem Druck verrichten kann.
Die physikalische Bedeutung der Freien Enthalpie G ist, bei einer Änderung der Temperatur oder des Drucks, die maximal im System ausführbare, nutzbare Arbeit ohne Expansion zu berechnen.
Die Freie Enthalpie G lässt sich berechnen durch die Gleichung G = H – TS, wobei H die Enthalpie, T die absolute Temperatur und S die Entropie ist.
Die Änderung der Freien Enthalpie G ist gleich Null bei Erreichen des thermodynamischen Gleichgewichts.
Die Einheit der Freien Enthalpie G ist Joule (J) im Internationalen Einheitensystem, wobei sie auch oft in Kilojoule (kJ) angegeben wird.
Ein positives ΔG zeigt eine nicht spontane Reaktion, während ein negatives ΔG für eine spontane Reaktion steht.
Die freie Enthalpie ist identisch mit der Gibbs Energie. Beide Begriffe werden synonym verwendet.
Die Freie Enthalpie G bestimmt, ob eine chemische Reaktion unter gegebenen Bedingungen spontan ablaufen kann oder nicht.
Die Freie Enthalpie G hängt mit der Entropie und Temperatur zusammen: Wenn die Entropie eines geschlossenen Systems abnimmt (und die Temperatur konstant bleibt), erhöht sich die Freie Enthalpie.
Die Standardbedingungen für die Freie Enthalpie G sind eine Temperatur von 298 Kelvin, ein Druck von 1 bar und eine Konzentration von 1 mol/L.