Esempi di processi che sono spontanei solo sopra o sotto una certa temperatura
La transizione di fase dell'acqua da solido (ghiaccio) a liquido
H2O (s) → H2O (l)
L'entalpia di questa reazione è positiva poiché lo scioglimento del ghiaccio richiede calore. L'entropia della reazione è positiva poiché le molecole d'acqua allo stato liquido hanno un grado di libertà maggiore rispetto alle molecole d'acqua bloccate nel reticolo cristallino del ghiaccio solido.
Poiché l'energia libera di Gibbs è calcolata dall'equazione ΔG = ΔH - TΔS, quando la temperatura è zero ΔG > 0, perché se T=0 allora ΔG = ΔH. Questo ha senso: il ghiaccio non si scioglie spontaneamente a temperature molto basse.
Man mano che la temperatura aumenta, ΔH e TΔS si avvicineranno molto l'uno all'altro in grandezza fino ad arrivare ad una temperatura per la quale ΔH = TΔS. A questo punto, ΔG = 0 e la reazione sarà all'equilibrio. Questa temperatura, naturalmente, è a 0 °C (273,16 K) dove il ghiaccio e l'acqua liquida sono in equilibrio.
Una volta che la temperatura aumenta oltre la temperatura di equilibrio ΔH < TΔS, cosa che rende ΔG < 0. Anche questo ha senso: il ghiaccio si scioglie spontaneamente a temperature superiori a 0 °C.
La ruggine del ferro
La ruggine del ferro è la reazione del ferro con l'ossigeno per formare ossido ferrico:
4 Fe + 3 O2 --> 2 Fe2O3
L'entalpia di questa reazione è negativa poiché la reazione libera calore. L'entropia della reazione è negativa poiché il numero di molecole diminuisce (da un totale di sette sul lato sinistro della freccia a due sul lato destro della freccia).
Poiché l'energia libera di Gibbs è calcolata dall'equazione ΔG = ΔH - TΔS, a basse temperature ΔG > 0, perché ΔH < TΔS. Man mano che la temperatura aumenta, ΔH e TΔS si avvicineranno molto in grandezza fino ad arrivare ad una temperatura per la quale ΔH = TΔS. A questo punto, ΔG = 0 e la reazione è all'equilibrio.
Una volta che la temperatura aumenta oltre la temperatura di equilibrio ΔH > TΔS, il che rende ΔG > 0. A una temperatura sufficientemente alta, la reazione smette di essere spontanea.