Esta función termodinámica tiene mayor utilidad que la energía de Helmholtz, ya que se deriva para un proceso isotérmico e isobárico, como lo son la mayoría de los procesos en la naturaleza.
Como ya se analizó en la derivación de la función de Helmholtz:
-dE + SdT > dW
donde = se aplica a procesos reversibles y > a procesos irreversibles.
Se incluyen todas las clases de trabajo, por lo tanto:
dW = PdV + dWa
donde: PdV es el trabajo de expansión y dWa es cualquier otro tipo de trabajo (trabajo útil).
Como la temperatura es constante: TdS = d(TS).
La relación:
-dE + d(ST) > pdV + dWa,
se transforma en:
-[dE+d(pV)-d(TS)] > dWa
-d(E+pV-TS) > dWa
Por definición: G = E+PV-TS y como H = E + PV
entonces:

donde G se denomina energía de Gibbs o energía libre y, es una función de estado.
Entonces: -dG > dWa
La disminución (-dG) asociada con un cambio de estado a presión y temperatura constantes, es igual (proceso reversible) o mayor (proceso irreversible) al trabajo útil (distinto al trabajo de expansión) que se obtiene en la transformación.
En los casos que no hay tipos especiales de trabajo, dWa = 0 y:

Si la energía libre disminuye, dG es negativa y -dG positiva. En tal sistema pueden seguir ocurriendo procesos espontáneos, mientras la energía de Gibbs del sistema pueda disminuir, hasta que alcance un nivel mínimo.

La ecuación integrada para un cambio finito:

es una de las ecuaciones más importantes de la Termodinámica.
No toda la energía (H) puede utilizarse para hacer trabajo, hay que restar la energía disipada, el factor entrópico (S).
Los sistemas ricos en energía tienden espontáneamente hacia un estado más estable (con menor energía):
-
un resorte comprimido.
-
cargas de signo opuesto separadas.
-
moléculas complejas (azúcares, almidones, lípidos, proteínas).
-
un niño en lo alto de una resbaladilla.
Observe la siguiente analogía mecánica entre el cambio de energía potencial de una roca que rueda cuesta abajo y el cambio de energía libre de una reacción química: |