Proceso espontáneo

Para un proceso a temperatura y presión constantes, el cambio en la energía libre de Gibbs, ΔG, es:

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S\,}$

El signo de ΔG depende de los signos de los cambios en entalpía (ΔH) y entropía (ΔS), así como de la temperatura absoluta (T, en Kelvin). ΔG cambia de positivo a negativo (o viceversa) en el valor donde T = ΔH/ΔS.

• Cuando ΔG es negativo, un proceso o reacción química ocurre espontáneamente en la dirección dada.

• Cuando ΔG es positivo, el proceso o reacción química ocurre espontáneamente en la dirección inversa a como está dada.

• Cuando ΔG es cero, el proceso se encuentra en equilibrio, sin que tome lugar un cambio neto a través del tiempo.

Podemos además distinguir cuatro casos con la regla descrita anteriormente, por medio de examinar los signos de los dos términos en el lado derecho de la ecuación.

• Cuando ΔS es positivo y ΔH es negativo, es un proceso espontáneo.

• Cuando ΔS es positivo y ΔH es positivo, es un proceso espontáneo a altas temperaturas y es un proceso no espontáneo a bajas temperaturas
• Cuando ΔS es negativo y ΔH es negativo, es un proceso espontáneo a bajas temperaturas y es un proceso no espontáneo a altas temperaturas.
• Cuando ΔS es negativo y ΔH es positivo, es un proceso no espontáneo.

El segundo principio de termodinámica dicta que para cualquier proceso espontáneo el cambio de entropía del sistema debe ser mayor o igual a cero, sin embargo, una reacción química espontánea puede resultar en un cambio negativo en la entropía. Esto no contradice al segundo principio, debido a que tal reacción debe tener un cambio negativo de entalpía (energía térmica) suficientemente grande que el incremento en la temperatura de los alrededores de la reacción resulta en un incremento suficientemente grande en la entropía, que el cambio global en la entropía es positivo. Esto significa que el cambio de entropía de los alrededores se incrementa lo suficiente debido al carácter exotérmico de la reacción que compensa el signo negativo en ΔS del sistema, y debido a que el cambio global de entropía es igual al cambio de entropía de los alrededores más el cambio de entropía del sistema, (ΔS = ΔS_alrededores + ΔS_sistema), el cambio global en la entropía es aún positivo.

Espontaneidad no implica que un proceso, como puede ser una reacción química, ocurra a gran velocidad. Por ejemplo, la transformación de diamantes en grafito es un proceso espontáneo, pero que ocurre muy lentamente, tomando millones de años. La rapidez de una reacción es independiente de la espontaneidad, dependiendo más bien de la cinética química de la reacción. Cada reactivo en un proceso espontáneo tiene una tendencia a formar el producto correspondiente. Esta tendencia está relacionada con la estabilidad. La estabilidad es alcanzada por una sustancia si ésta se encuentra en un estado de mínima energía o en un estado de máxima aleatoriedad. Únicamente uno de estos dos casos puede ser aplicado a la vez. Por ejemplo, el agua convirtiéndose a hielo es un proceso espontáneo porque el hielo es más estable debido a su baja energía. Sin embargo, la formación de agua es también un proceso espontáneo debido a que las moléculas de agua están en un estado más aleatorio.

• Reacción endergónica, reacciones las cuales no son espontáneas a temperatura, presión y concentraciones estándar.
• Difusión, proceso espontáneo que minimiza la energía libre de Gibbs.