기브스 자유 에너지

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깁스 자유 에너지(Gibbs free energy) 또는 깁스 에너지(영어: Gibbs energy)는 일정한 압력과 온도를 유지하는 조건 아래 열역학에서 뽑을 수 있는 에너지이다. 흔히 대기 따위와 상호 작용으로 일정한 압력과 온도가 유지되므로, 화학 반응 등을 다룰 때 널리 쓴다.

역사와 명칭[편집]

조사이어 기브스가 도입하였다. 흔히 물리학에서는 "기브스 자유 에너지" 또는 "자유 엔탈피"로 불리나, IUPAC는 "기브스 에너지"라는 용어를 권장한다.

정의[편집]

기브스 자유 에너지는 어떤 계의 엔탈피, 엔트로피 및 온도를 이용하여 정의하는 열역학적 함수이며, 다음과 같이 정의된다.

엔탈피 로부터 다음과 같이 쓸 수도 있다.

표준 생성 에너지를 이용하면 다음과 같이 쓸 수 있다.

여기에서:

기브스 자유 에너지 값을 이용하면 일정한 온도와 압력이 유지된 상태에서의 화학 반응의 평형 조건을 알 수 있다. 또한 정반응이 자발적인지 비자발적인지 계산을 통해 알 수 있다.

전개[편집]

기브스 자유 에너지[편집]

일정한 압력과 온도에서 화학 반응이 진행되는 동안, 계의 에너지는

으로 나타낸다. 에너지는 들어온 열의 양과 주위로 부터 받은 일의 양의 합으로 나타낼 수 있다는 의미이다. 여기에서 일 로 나타낼 수 있다. 즉

이고, 여기서 열

가 된다. 이때 를 엔탈피의 변화량 로 나타낼 수 있다. 주위가 잃어버린 열은 계에 그대로 전달되기 때문에

가 된다.

:

를 이용하면

이다. 이 식을 변화시켜

로 쓰면

계에 관한 식

이 된다.

기브스 자유 에너지 변화량[편집]

일정한 온도와 압력에 놓인 계에서 기브스 자유 에너지 변화량(ΔG)은 계와 주위의 전체 엔트로피 변화에 비례한다. 즉 ΔG=ΔH-TΔS이다.

이면 정반응이 비자발적인 반응으로 역반응이 자발적인 반응이 된다.

의 경우 ΔS_계=ΔH_계/T 가 돼서 정반응과 역반응이 평형인 상태가 된다.

인 경우에는 정반응이 자발적인 반응이 된다.

반응에서의 기브스 자유 에너지[편집]

독립된 계에서 기브스 자유 에너지 방정식을 얻기 위해서 엔트로피는 계와 주변의 열이나 질량의 합이 변화가 없는 계의 전체 엔트로피를 이용한다. 열역학 제 2법칙에 의해 ΔS>=0 이다. 가역반응인 경우에만 등호가 성립된다. 계와 주위가 연결되어 있기 때문에 닫힌 계에서 주위가 잃은 엔트로피는 계가 얻는다. 이다. 엔트로피에서 인 관계가 성립되므로 주위에서 엔트로피 변화는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

열역학 제2법칙을 이용하면

양변에 온도를 곱해주면 이 된다. 여기에서 Q는 계로부터 이동된 열이기 때문에 등압 과정에서 Q = ΔH이고

이다. 기브스 자유 에너지 변화량은 다음과 같이 나타내어지므로,

주위의 엔트로피가 낮아지는 경우 즉, 계의 엔트로피가 높아지는 경우 이므로 정반응이 자발적인 반응이 되는 것이다.

하지만 다음 과정으로부터 구한 식

이 항상 사용될 수 있는 것은 아니다. 이 경우에 온도를 일정하다고 가정한 식이므로 온도가 변화할 경우에는 보정을 거친 식을 이용하여야 한다.

표준 기브스 자유 에너지[편집]

엔트로피와 엔탈피의 표준 반응값과 같이 기브스 자유 에너지도 표준 반응값을

으로 구할 수 있다. 엔트로피에서

이다. 는 나중상태의 배열 수이고, 는 처음상태의 배열 수이다. 배열수는 부피에 비례하고, 압력에 반비례하는 관계이기 때문에

가 성립한다.

따라서 로 바꿔 쓸 수 있다. 여기서 처음 압력 bar이다. 화학 반응식에 이를 대입하면

가 된다. 여기서 Q는 반응 지수로 평형 상수와 같은 형태를 띄며 기체의 경우 압력에 관한 식으로도 사용할 수 있다. 위의 식을 이용하여

식을
로 바꾸어 쓸 수 있다.

엔탈피는 온도에 영향을 받는 함수로 이 반응에서 온도변화가 없는 경우이므로

라는 식이 성립된다.

표준 기브스 자유 에너지 값은 일정한 온도인 298K에서의 값이기 때문에 298K이 아닌 온도에서 반응을 진행하면 기브스 자유 에너지 값이 변화된다. 이 때의 값을 위의 식을 이용하여 구할 수 있으며 두 값의 차이는 그리 크게 나지는 않는다.

같이 보기[편집]


바깥 고리[편집]