1. Gibbs 자유 에너지 (G)
ㅇ 일정한 온도,압력에서, 계가 외부로부터 추가 에너지 유입 없이,
- 수행 가능한 최대의 "유효한 일(Useful Work)"을 나타내는, 열역학적 상태 함수
. 여기서 유효한 일이란? : 압력 부피 일(PV 일)을 제외한 일
.. 즉, 전기적 일, 화학적 일 등, "기계적,전기적 활용이 가능한 일"
※ Josiah Willard Gibbs (1839~1903) : 미국의 이론 물리 학자, 화학자
- 화학 반응이 자발적 과정인가 아닌가를 예측하기 위한 상태 함수로써 G를 제안 (1878년)
. 열역학을, 에너지 중심 → 상태 함수 중심으로의 관점을 도입시킴
2. 자유 에너지의 물리적 의미
ㅇ 엔트로피(S) 증가로 인해, 더 이상 일로 전환될 수 없는 부분(T·S)을 제외한, 나머지 에너지
- 즉, 에너지의 "쓸 수 있음 (Availability)"을 정량화한 지표
. G = H − T·S
.. G : 자유 에너지 => "활용 가능량"
.. H : 엔탈피 (계의 총 에너지 + 압력 부피 일) => "총량"
.. T : 절대온도
.. S : 엔트로피
※ 주로, 화학 반응의 (스스로 일어나는) 자발적 경향성을 예측하는 데 쓰임
- 즉, 주위와는 별개로, 오로지 계 내부의 변화 만으로, 자발성을 설명하기 위함
. 화학 반응, 상전이, 생화학 반응 등에서,
. 주위와의 복잡한 상호작용을 따로 계산하지 않고,
. 오로지 계 내부의 상태 변화 만으로,
. 자발성 여부를 판단할 수 있게 해 줌
3. 자유 에너지의 정의
ㅇ 자유 에너지 G의 정의 : G = H - T·S
- `자유 에너지(G)`를, `엔탈피(H),온도(T),엔트로피(S)`와 결합시켜 정의 함
ㅇ 자유 에너지 G의 변화량 : 등온 과정의 경우
- ΔG = ΔH - TΔS
. ΔG : 자유 에너지 변화량
. T : 절대온도 (여기서는, 일정/등온 가정)
. ΔH : 엔탈피 변화량 (필요한 에너지량으로써의 반응열 : 발열, 흡열)
. ΔS : 엔트로피 변화량 (무질서의 척도)
- 한편, 표준 생성 에너지에 의해 다르게 표현하면 ☞ 위키백과 (깁스 자유 에너지)
. ΔG = ΔG0 + RT ln Q
4. 자유 에너지의 변화량, 부호, 방향성
ㅇ 화학반응에서, 자유 에너지의 변화량 (ΔG)
- 생성물(마지막)의 자유 에너지 총합과 반응물(처음)의 자유 에너지 총합 간의 차이
. ΔG = G생성물 - G반응물 = G마지막 상태 - G처음 상태
ㅇ 자유 에너지 변화량(ΔG)의 부호
- (+) : 비 자발적 과정 (ΔG > 0)
. 반응이 비자발적으로 진행됨 (외부 에너지 공급 필요)
.. 자발적인 과정일 때, 열역학적 계의 변화의 방향성은,
.. 자유 에너지가 증가(+)하는 방향으로 진행됨 (endergonic)
- (0) : 열역학적 평형상태 (ΔG = 0)
- (-) : 자발적 과정 (ΔG < 0)
. 반응이 자발적으로 진행됨 (발열 반응이 많음)
.. 자발적인 과정일 때, 열역학적 계의 변화의 방향성은,
.. 자유 에너지가 감소(-)하는 방향으로 진행됨 (exergonic)
※ 따라서,
- 불안정한 계일수록 : 높은 G 값 (더 많은 자유 에너지)
- 안정한 계일수록 : 낮은 G 값 (더 적은 자유 에너지)
. 계는 보다 안정된 쪽으로 움직여질 것으로 예상됨
- 자유 에너지가 극소로 될 때(영과 가까워질 때), 열 평형 상태가 실현됨
. 이때의 자유 에너지는 변화가 없는 상태임
.. 例) 결정 : 자유 에너지가 매우 작은 열평형 상태
- 즉,
. 평형으로부터 멀어질 때, 자유 에너지는 증가함
. 어떤 과정이 평형으로 이동할 때 만, 그 과정은 자발적이면서, 일을 수행 가능함
※ 결국, 자발적인 과정에서,
- 계의 자유 에너지는 감소하며,
- 방출된 자유 에너지는 일을 할 수 있도록 동력화되고,
- 계는 더 안정적으로 되어짐
5. 자유 에너지의 학술적 의의
ㅇ 열역학적 상태량의 함수적 표현 : 상태 함수 (G)
- 즉, 자유 에너지(G)는, 열역학적 상태들(H,T,S)에 의해 결정되는 함수 : G(H,T,S)
ㅇ 자발적 변화의 지표
- 화학과정(특정 온도,압력 조건)의 자발적 변화 방향을 알 수 있음
- 특히, 자발성의 온도 의존성을 다루는데 유용
ㅇ 평형 조건의 기준
ㅇ 화학 포텐셜과의 연결 고리
※ Gibbs 자유 에너지 G는,
- 단순한 에너지의 크기가 아니라,
. 계가 얼마나 더 '움직일 수 있는지',
. 얼마나 더 '일을 할 수 있는지',
. 어느 방향으로 '자발적으로 변화할지' 등을,
. 한 번에 알려주는 중심적인 열역학적 상태 함수
- 즉, 계의 자발성, 평형, 조성 변화 등을,
. 통합적으로 설명하는 중심적인 열역학 함수
6. 자유 에너지의 생물학적 의의
※ 생물체는, 외부(광합성,섭식 등)로부터 얻은 자유 에너지를,
- ATP 등으로 변환,저장하고,
- 이를 이용해, 평형에서 벗어난 비 자발적 상태을 유지하면서, 지속적인 생명활동을 함
ㅇ 생물체는 자유 에너지를 "외부로부터 획득하여 유지"됨
- 생물체는 스스로 에너지를 생성하지 못하고,
- 외부(빛,영양분 등)로부터 자유 에너지를 공급 받음
ㅇ "대사 과정" = 자유 에너지의 변환 사용
- 이화작용 (catabolism) → 물질 분해 : 자유 에너지 방출 (ΔG < 0 : 자발적 반응)
. 방출된 자유 에너지를 이용해, 비자발적 반응을 구동
- 동화작용 (anabolism) → 물질 합성 : 자유 에너지 필요 (ΔG > 0 : 비 자발적 반응)
ㅇ "ATP를 통한", 자유 에너지의 전달
- 자유 에너지를 직접 쓰기보다, ATP 형태로 저장,전달됨
- ATP → ADP + Pi 과정에서 자유에너지 방출
. 이 에너지로, `생 합성`, `능동 수송`, `근육 수축` 등 수행
ㅇ 생물체는 "비 평형 상태"를 유지
- 자연계는, 열역학적으로, 평형(높은 엔트로피 상태)으로 가려 하지만,
- 생물체는, 지속적으로 자유 에너지를 공급 받아서, 질서(낮은 엔트로피 상태)를 유지
. 즉, `열린계`로서 평형에 도달하지 않도록 유지됨
ㅇ 자발성의 결합 (Energy Coupling)
- 비자발 반응(ΔG > 0) 및 자발 반응(ΔG < 0)을 결합하여, 전체를 (ΔG < 0)로 유지시킴