Beispiele für Prozesse, die nur oberhalb oder unterhalb einer bestimmten Temperatur spontan ablaufen
Der Phasenübergang von Wasser (Eis) von fest (s) zu flüssig (l)
H2O (s) → H2O (l)
Die Enthalpie dieser Reaktion ist positiv, da das Schmelzen von Eis Wärme erfordert. Die Entropie der Reaktion ist positiv, da die Wassermoleküle in ihrem flüssigen Zustand einen höheren Grad an Freiheit haben als die im Kristallgitter von festem Eis eingeschlossenen Wassermoleküle.
Da die Gibbs-Energie nach der Gleichung ΔG = ΔH - TΔS berechnet wird, ist bei einer Temperatur von Null ΔG > 0, denn wenn T=0 ist, ist ΔG = ΔH. Das macht Sinn: Eis schmilzt bei sehr niedrigen Temperaturen nicht spontan.
Mit steigender Temperatur nähern sich die Werte von ΔH und TΔS einander an, bis bei einer bestimmten Temperatur schließlich ΔH = TΔS ist. An diesem Punkt ist ΔG = 0 und die Reaktion befindet sich im Gleichgewicht. Diese Temperatur liegt natürlich bei 0 °C (273,16 K), bei der sich Eis und flüssiges Wasser im Gleichgewicht befinden.
Sobald die Temperatur über die Gleichgewichts-Temperatur hinaus ansteigt, ist ΔH < TΔS und damit ΔG < 0. Das macht ebenfalls Sinn: Bei Temperaturen über 0 °C schmilzt Eis spontan.
Rosten von Eisen
Das Rosten von Eisen ist die Reaktion von Eisen mit Sauerstoff unter Bildung von Eisen(III)-oxid:
4 Fe + 3 O2 --> 2 Fe2O3
Die Enthalpie dieser Reaktion ist negativ, da die Reaktion Wärme freisetzt. Die Entropie der Reaktion ist negativ, da die Anzahl der Moleküle abnimmt (von insgesamt sieben auf der linken Seite des Pfeils auf zwei auf der rechten Seite des Pfeils).
Da die Gibbs-Energie nach der Gleichung ΔG = ΔH - TΔS berechnet wird, ist bei niedrigen Temperaturen ΔG > 0, da ΔH < TΔS ist. Mit zunehmender Temperatur nähern sich die Werte von ΔH und TΔS einander stark an, bis bei einer bestimmten Temperatur schließlich ΔH = TΔS ist. An diesem Punkt ist ΔG = 0 und die Reaktion befindet sich im Gleichgewicht.
Sobald die Temperatur über die Gleichgewichts-Temperatur hinaus ansteigt, wird ΔH > TΔS, wodurch ΔG > 0 wird. Bei einer ausreichend hohen Temperatur hört die Reaktion auf, spontan zu sein.