Ilmainen energia vs. normaali vapaa energia
Mikä on vapaa energia?
Termodynaamisen järjestelmän työmäärä tunnetaan vapaana energiana. Vapaa energia voidaan kuvata kahdella termillä, Helmholtzin vapaa ja Gibbsin vapaa energia. Kemiassa, kun käytämme sanaa "vapaa energia", se tarkoittaa Gibbsin vapaata energiaa. Fysiikassa vapaa energia viittaa Helmholtzin vapaaseen energiaan. Molemmat termit on kuvattu alla.
Termodynamiikan toinen laki liittyy entropiaan, ja siinä sanotaan: "maailmankaikkeuden entropia kasvaa spontaanissa prosessissa". Entropia liittyy syntyvän lämmön määrään; siinä määrin energia on hajonnut. Mutta itse asiassa tietyn lämpömäärän q aiheuttaman ylimääräisen häiriön määrä riippuu lämpötilasta. Jos se on jo erittäin kuuma, vähän ylimääräistä lämpöä ei aiheuta paljon enemmän häiriöitä, mutta jos lämpötila on hyvin matala, sama lämpömäärä aiheuttaa dramaattisen häiriön lisääntymisen. Siksi on tarkoituksenmukaisempaa kirjoittaa, ds = dq / T
Muutoksen suunnan analysoimiseksi on otettava huomioon muutokset sekä järjestelmässä että ympäröivässä. Seuraava Clausius-eriarvoisuus osoittaa, mitä tapahtuu, kun lämpöenergiaa siirretään järjestelmän ja ympäröivän välillä. (Harkitse, että järjestelmä on termisessä tasapainossa ympäröivän kanssa lämpötilassa T)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Jos lämmitys tapahtuu vakiotilavuudella, voimme kirjoittaa yllä olevan yhtälön (1) seuraavasti. Tämä yhtälö ilmaisee kriteerin spontaanille reaktiolle vain valtion toimintojen suhteen.
dS - dU / T ≥0
Yhtälö voidaan järjestää uudelleen seuraavan yhtälön saamiseksi.
TdS ≥dU (yhtälö 2), ja siksi se voidaan kirjoittaa muodossa
dU - TdS ≤0
Edellä olevaa lauseketta voidaan yksinkertaistaa käyttämällä termiä Helmholtz-energia A, joka voidaan määritellä seuraavasti:
A = U-TS
Edellä olevista yhtälöistä voidaan johtaa spontaanin reaktion kriteeri dA ≤0. Tämä osoittaa, että muutos järjestelmässä vakiolämpötilassa ja -tilavuudessa on spontaania, jos dA ≤0. Joten muutos on spontaania, kun se vastaa Helmholtz-energian vähenemistä. Siksi nämä järjestelmät liikkuvat spontaanisti, antaen pienemmän A-arvon.
Gibbsin vapaa energia liittyy jatkuvassa paineessa tapahtuviin muutoksiin. Kun lämpöenergiaa siirretään vakiopaineessa, on vain laajennustöitä; siksi muunnamme ja kirjoitamme yhtälön 2 seuraavasti.
TdS ≥dH
Tämä yhtälö voidaan järjestää uudelleen antamaan dH-TdS≤0. Termillä Gibbsin vapaa energia, G, tämä yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti:
G = H-TS
Vakiolämpötilassa ja -paineessa kemialliset reaktiot ovat spontaaneja Gibbsin vapaan energian vähenemisen suuntaan. Siksi dG ≤0
Mikä on tavallinen vapaa energia?
Vakiovapaa energia on tavallisissa olosuhteissa määritelty vapaa energia. Vakio-olosuhteet ovat lämpötila 298 K; paine, 1 atm tai 101,3 kPa; ja kaikki liuenneet aineet 1 M pitoisuudessa. Vakiovapaa energia merkitään Go: ksi.
Mitä eroa on vapaan energian ja tavallisen vapaan energian välillä?
• Kemiassa vapaalla energialla tarkoitetaan Gibbsin vapaata energiaa. Se liittyy jatkuvassa paineessa tapahtuviin muutoksiin. Vakiovapaa energia on tavallisissa olosuhteissa määritelty vapaa energia.
• Siksi normaalia vapaata energiaa annetaan 298 K lämpötilassa ja 1 atm paineessa, mutta vapaa energian arvo voi muuttua lämpötilan ja paineen mukaan.
