Свободная энергия Гиббса и работа.

Каждый самопроизвольно протекающий процесс может быть использован для выполнения полезной работы, по крайней мере в принципе. Например, падение водопада представляет собой самопроизвольный процесс, с помощью которого можно заставить вращаться лопасти турбины. Точно также при сгорании бензина в цилиндрах автомобильного двигателя выполняется полезная работа перемещения автомобиля. Количество работы, получаемое в конкретном процессе, зависит от того, как он проводится. Например, если сжечь литр бензина в открытом сосуде, то мы вообще не получим полезной работы. В автомобильном двигателе эффективность получения работы невелика, приблизительно 20%. Если бы бензин реагировал с кислородом при других, более благоприятных условиях, то можно было бы получить гораздо большее количество работы. На практике мы никогда не получаем максимального количества работы, возможного с теоретической точки зрения. Однако, чтобы иметь представление о том, насколько успешно мы извлекаем работу из процессов на практике, полезно знать, какое максимальное количество работы в принципе можно получить в результате каждого конкретного процесса.

Термодинамика утверждает, что максимальная полезная работа, которая может быть получена при помощи самопроизвольного процесса, проводимого при постоянных температуре и давлении, равна изменению свободной энергии в этом процессе.

Для несамопроизвольных процессов изменение свободной энергии является мерой минимального количества работы, которую следует выполнить, чтобы вызвать протекание процесса. В действительности приходится затрачивать большее количество работы, чем этот теоретический минимум, что объясняется неэффективностью способов, с помощью которых вызывают протекание несамопроизвольных процессов.

Таким образом, рассмотрение свободной энергии играет очень важную роль при осуществлении несамопроизвольных реакций, которые мы хотели бы провести для наших собственных нужд. Допустим, что мы хотим извлечь металл из руды.

Cu₂S (тв.) → 2 Cu (тв.) + S (тв.);

ΔG⁰ = +86,2 кДж; ΔH⁰=+79,5 кДж

Это эндотермическая и в высшей степени несамопроизвольная реакция. Для того, чтобы вызвать протекание этой реакции, придется каким-либо образом выполнять над ней работу. Это можно сделать, сочетая данную реакцию с какой-либо другой реакцией, так чтобы суммарная реакция оказалась самопроизвольной. Рассмотрим реакцию горения серы:

S (тв.) + О₂ (г.) → SО₂ (г.); ΔG⁰ = -300,1кДж; ΔH⁰=-296,9 кДж

Суммирование этих реакций дает

Cu₂S (тв.) + О₂ (г.)→ 2 Cu (тв.) + SО₂ (г.);

ΔG⁰ = -213,9кДж; ΔH⁰= - 217,4 кДж

Поскольку отрицательное изменение свободной энергии второй реакции превышает положительное изменение свободной энергии в первой реакции, суммарная реакция имеет большое и отрицательное ΔG⁰.

Объединение двух или нескольких реакций для того, чтобы вызвать протекание несамопроизвольного химического процесса, играет большую роль в биохимических системах. Многие реакции, без которых не могла бы поддерживаться жизнь, не способны протекать самопроизвольно вне организма, однако, они осуществляются благодаря объединению с экзотермическими самопроизвольными реакциями.

Например, глюкоза окисляется в организме с выделением значительного количества тепла.

С₆Н₁₂О₆ (тв.) + 6О₂ (г.)→ 6СО₂ (г.) + 6Н₂О (ж.);

ΔG⁰ = -2880 кДж; ΔH⁰= - 2800 кДж

Эта энергия расходуется организмом на выполнение полезной работы, в этом процессе важную роль играет аденозинтрифосфат (АТФ) — очень энергоемкая молекула.

В последние годы ряд социологов при выводе экономических законов стали придавать важное значение учету термодинамических соображений. Один из известных теоретиков-экономистов Николас Георгеску-Ройген опубликовал книгу "Закон энтропии и экономический процесс", в которой пришел к мысли, что человечество должно в конце концов научиться жить за счет ограниченного поступления энергии на Землю.