vrijeenergieevenwicht

Vrijeenergieevenwicht is een thermodynamisch begrip dat verwijst naar de toestand waarin een systeem zich bevindt wanneer de vrije energie onder de geldende voorwaarden minimaal is en er geen spontane veranderingen meer optreden zonder externe invloeden. Het gaat om de balans tussen interne energie en entropie die samen met de omgeving bepaalt welke toestand het meest stabiel is.

In de thermodynamica worden twee veelgebruikte vrije-energipotentialen onderscheiden: de Helmholtz vrije energie F = U − T S, relevant bij constante temperatuur T en volume V; en de Gibbs vrije energie G = H − T S = U + P V − T S, relevant bij constante temperatuur T en druk P. Een systeem zoekt onder deze voorwaarden naar een toestand waarin respectievelijk F of G geminimaliseerd is. In statistische termen ligt dit verankerd in de Boltzmannverdeling en het verband met het partition function.

Bij systeem met meerdere componenten gelden aanvullende voorwaarden: chemische evenwicht ontstaat wanneer de chemische potentialen van elke soort in alle fasen gelijk zijn, wat leidt tot een minimale G met betrekking tot samenstelling. Zo bepalen vrije-energimaximalisatie en evenwicht de stabiliteit van fasen, mengsels en reacties onder de gegeven temperatuur en druk.

Voorbeeld: bij 0°C en 1 atmosferische druk kunnen vloeistof water en ijs in vrije-energieevenwicht bestaan zolang hun molaire Gibbs vrije energie gelijk is, wat fasecoëxistentie formaliseert.

Vrijeenergieevenwicht is een centraal concept in chemie, materiaalkunde en thermodynamica, omdat het voorspellingen biedt over fases, samenstellingen en reacties onder vaste externe omstandigheden.