Salah satu cara untuk mengetahui apakah suatu reaksi kimia berlangsung spontan atau tidak, mengikuti prinsip kedua, adalah dengan menghitung variasi entropi sistem dan variasi entropi lingkungan yang menyertainya, menguatkan bahwa jumlah keduanya adalah lebih besar dari nol.
S (sistem) + S (lingkungan)> 0
Perubahan entropi lingkungan merupakan proses yang bersifat reversibel dan isotermal, yaitu dengan suhu tetap, di mana lingkungan dan sistem memiliki suhu yang sama.
S (lingkungan) = Q (lingkungan) / T; dari mana Q (lingkungan) adalah energi sebagai panas yang diperoleh atau hilang di lingkungan, dan T, adalah suhu absolut, yang diyakini konstan. Ketika reaksi dilakukan pada tekanan konstan, energi yang ditransfer ke lingkungan sebagai panas adalah identik dan memiliki tanda yang berlawanan dengan perubahan entalpi reaksi, yaitu, Q (lingkungan) = – H (sistem ), yang membawa implikasi bahwa:
S (lingkungan) = – H (sistem) / T
Perubahan total atau variasi entropi alam semesta adalah:
S (alam semesta) = S (sistem) – H (sistem) / T
Dengan cara ini, dimungkinkan untuk menghitung perubahan entropi yang terjadi di alam semesta, dimulai hanya dari sifat-sifat yang disajikan sistem H dan S, yang dapat diganti dengan kata “sistem”.
Jika kita kalikan dengan T, dan mengubah tanda setiap suku dalam persamaan sebelumnya, kita memperoleh:
-T S (alam
semesta) = H – T S -T S (alam semesta) = (Hf –Hi) – (TSf – Tsi)
Jika kita mengelompokkan suku-suku yang sesuai untuk setiap keadaan, kita memiliki:
-T S (alam semesta) = (Hf – TSf) – (Hi – TSi)
Ekspresi H-TS ditandai dengan huruf G, yang mewakili fungsi keadaan baru yang dikenal sebagai energi bebas Gibbs atau juga energi bebas:
-T S (alam semesta) = Gf – Gi = ΔG
Dalam semua proses yang spontan, di mana entropi alam semesta meningkat, S (alam semesta)> 0, akan terlihat bahwa G akan atau seharusnya lebih kecil dari nol, G <0. Oleh karena itu, kita dapat mengetahui spontanitas yang dihadirkan suatu proses, baik fisik maupun kimia, dengan menentukan perubahan energi bebas Gibbs dalam prosedur tersebut, hanya dengan menggunakan data dari sistem, seperti H, S, dan suhu. Kami akan menghubungkan data ini melalui ekspresi: G = H – T S Sebenarnya, setiap reaksi yang eksotermik (ΔH <0), di mana ada peningkatan entropi (ΔS> 0), akan spontan, karena itu benar bahwa H – T S <0 dan G, selalu lebih kecil dari nol. Dalam kasus reaksi yang endotermik (ΔH> 0), yang disertai dengan penurunan entropi (ΔS <0), tidak akan pernah spontan, karena H – T S> 0, dan G selalu lebih besar dari nol.
Kita kemudian dapat mengatakan bahwa:
-Ketika G <0, kita akan mengalami reaksi spontan. -Ketika G> 0, kita akan memiliki reaksi non-spontan; tetapi itu akan terjadi ketika itu adalah proses yang berlawanan.
-Ketika G = 0, kita akan memiliki reaksi yang telah mencapai kesetimbangan.
Jika kita melakukan pekerjaan di bawah kondisi standar tekanan dan suhu (25ºC dan 1 atm), perubahan atau variasi energi bebas Gibbs akan ditunjukkan oleh superscript: Gº.
Setiap proses yang terjadi secara spontan dapat digunakan untuk melakukan suatu pekerjaan. Perubahan energi bebas dari prosedur, G, sama dengan kerja yang berguna, yaitu jumlah kerja terbesar yang dapat dicapai dari proses tersebut. Dengan cara yang sama, suatu proses yang tidak spontan dapat dilakukan jika diberikan usaha yang cukup; ini terjadi misalnya dalam proses tipe elektrolitik.
Energi bebas Gibbs adalah fungsi keadaan, yang memungkinkan untuk mengetahui atau menghitung variasi energi reaksi menggunakan nilai-nilai energi standar pembentukan tersebut dari zat-zat yang berpartisipasi yang berbeda. Untuk ini, sudah mengikuti kesepakatan, energi bebas dari unsur-unsur yang berada di bawah kondisi standar diberikan nilai nol, Gºf = 0, dengan cara yang sama seperti yang kita lakukan dengan entalpi pembentukan. Energi bebas pembentukan standar, Gºf, yang dimiliki senyawa tertentu, adalah perubahan energi bebas pembentukan satu mol senyawa, dimulai dari unsur-unsur yang berpartisipasi, semuanya dalam kondisi standar.
Jadi, misalnya, dalam reaksi pembentukan di bawah kondisi standar CO2 (g) kita memiliki:
C (grafit) + O2 (g) → CO2 (g), Gºf (CO2) = – 394,4 kJ
Variasi energi bebas dalam contoh ini bertepatan dengan energi bebas standar pembentukan gas karbon dioksida, yang akan menjadi: Gºf [CO2 (g)] = – 394,4 kJ / mol, karena energi bebas dari unsur-unsur yang berbeda sama dengan nol.
Energi bebas standar reaksi, Gº, adalah perubahan energi bebas dari reaksi kimia, yang terjadi ketika reaktan, ditemukan dalam kondisi standar, berubah menjadi produk dalam kondisi standar.
Karena energi bebas adalah fungsi keadaan, kita dapat menggunakan hukum Hess dan, untuk reaksi tertentu, nilai perubahan energi bebasnya dapat diketahui, mulai dari energi bebas standar pembentukan masing-masing zat yang berpartisipasi dalam reaksi, menggunakan reaksi berikut:
Gº = np Gºf (produk) – nr ΔGºf (reaktan)