Ingyenes energia vs normál szabad energia
Mi az a szabad energia?
A termodinamikai rendszer által elvégezhető munka mennyisége szabad energiaként ismert. A szabad energia két kifejezéssel írható le: a Helmholtz-mentes és a Gibbs-mentes energia. A kémia területén, amikor a „szabad energia” szót használjuk, ez Gibbs-féle szabad energiát jelent. A fizikában a szabad energia a Helmholtz-féle szabad energiára utal. Mindkét kifejezést az alábbiakban ismertetjük.
A termodinamika második törvénye az entrópiához kapcsolódik, és azt mondja: „az univerzum entrópiája spontán folyamatban növekszik”. Az entrópia a keletkezett hő mennyiségével függ össze; ennyire lebomlott az energia. Valójában azonban a q hőmennyiség által okozott extra rendellenességek mennyisége a hőmérséklettől függ. Ha már nagyon meleg van, akkor egy kis extra hő nem okoz sokkal több rendellenességet, de ha a hőmérséklet nagyon alacsony, ugyanez a hőmennyiség drámai mértékben megnöveli a rendellenességeket. Ezért helyesebb írni,
ds = dq / T
A változás irányának elemzéséhez figyelembe kell vennünk mind a rendszer, mind a környező változásokat. A következő Clausius-egyenlőtlenség megmutatja, mi történik, ha a hőenergia átkerül a rendszer és a környező között. (Tekintsük, hogy a rendszer hőmérséklete a környezettel T hőmérsékleten van)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Ha a fűtést állandó térfogaton végezzük, akkor a fenti (1) egyenletet a következőképpen írhatjuk fel. Ez az egyenlet kifejezi annak kritériumát, hogy a spontán reakció csak az állami funkciók szempontjából történjen.
dS - dU / T ≥0
Az egyenlet átrendezhető a következő egyenlet megszerzéséhez.
TdS ≥dU (2. egyenlet), és ezért felírható
dU - TdS ≤0
A fenti kifejezés leegyszerűsíthető a Helmholtz-energia, A kifejezés használatával, amely meghatározható:
A = U-TS
A fenti egyenletekből levezethetjük a spontán reakció kritériumát, mint dA ≤0. Ez azt állítja, hogy a rendszer változása állandó hőmérsékleten és térfogaton spontán történik, ha dA ≤0. Tehát a változás spontán, ha megfelel a Helmholtz-energia csökkenésének. Ezért ezek a rendszerek spontán úton mozognak, hogy alacsonyabb A értéket adjanak.
A Gibbs-féle szabad energia összefügg az állandó nyomáson bekövetkező változásokkal. Ha a hőenergiát állandó nyomáson továbbítják, akkor csak tágulási munka van; ezért a következőképpen módosítjuk és megírjuk a 2. egyenletet.
TdS ≥dH
Ez az egyenlet átrendezhető úgy, hogy dH-TdS≤0 legyen. A Gibbs szabad energia, G kifejezéssel ez az egyenlet felírható, G = H-TS
Állandó hőmérsékleten és nyomáson a kémiai reakciók spontán módon csökkentik a Gibbs-féle szabad energiát. Ezért dG ≤0
Mi a szokásos szabad energia?
A normál szabad energia a normál körülmények között meghatározott szabad energia. A szokásos körülmények a hőmérséklet 298 K; nyomás, 1 atm vagy 101,3 kPa; és az összes oldott anyag 1 M koncentrációban. A szokásos szabad energiát Go-ként jelöljük.
Mi a különbség a szabad energia és a normál szabad energia között?
• A kémia területén a szabad energiát Gibbs-mentes energiának nevezzük. Ez összefügg az állandó nyomáson bekövetkező változásokkal. A normál szabad energia a normál körülmények között meghatározott szabad energia.
• Ezért a szokásos szabad energiát 298K hőmérsékleten és 1 atm nyomáson adják meg, de a szabad energia értéke a hőmérséklettől és a nyomástól függően változhat.
