Freie Energie nach Helmholtz

Vier Größen, die als „thermodynamische Potentiale“ bezeichnet werden, sind in der chemischen Thermodynamik von Reaktionen und nichtzyklischen Prozessen nützlich. Sie sind die innere Energie, die Enthalpie, die freie Helmholtz-Energie und die freie Gibbs-Energie. Die freie Gibbs-Energie G ist definiert durch

Die innere Energie U könnte man sich als die Energie vorstellen, die erforderlich ist, um ein System ohne Temperatur- oder Volumenänderungen zu erzeugen. Wie jedoch bei der Definition der Enthalpie erörtert, muss ein zusätzlicher Arbeitsaufwand PV geleistet werden, wenn das System aus einem sehr kleinen Volumen geschaffen wird, um „Platz“ für das System zu schaffen. Wie bei der Definition der freien Helmholtz-Energie erörtert, trägt eine Umgebung mit konstanter Temperatur T einen Betrag TS zum System bei, wodurch die für die Schaffung des Systems erforderliche Gesamtinvestition verringert wird. Dieser Nettoenergiebeitrag für ein System, das bei einer Umgebungstemperatur T aus einem vernachlässigbaren Anfangsvolumen entsteht, ist die freie Gibbs-Energie.

Die Änderung der freien Gibbs-Energie, ΔG, bei einer Reaktion ist ein sehr nützlicher Parameter. Man kann sie sich als die maximale Arbeit vorstellen, die bei einer Reaktion geleistet werden kann. Bei der Oxidation von Glukose beispielsweise beträgt die Änderung der freien Gibbs-Energie ΔG = 686 kcal = 2870 kJ. Diese Reaktion ist die wichtigste Energiereaktion in lebenden Zellen.