Tasuta energia vs tavaline tasuta energia
Mis on vaba energia?
Terodünaamilise süsteemi töömahtu nimetatakse vabaenergiaks. Vaba energiat saab kirjeldada kahe terminiga, Helmholtzi vaba energia ja Gibbsi vaba energia. Keemias, kui me kasutame sõna "vaba energia", tähendab see Gibbsi vaba energiat. Füüsikas viitab vaba energia Helmholtzi vabale energiale. Mõlemat terminit kirjeldatakse allpool.
Termodünaamika teine seadus on seotud entroopiaga ja ütleb: "Universumi entroopia suureneb spontaanse protsessi käigus." Entroopia on seotud tekkiva soojushulgaga; see on see, mil määral on energia halvenenud. Kuid tegelikult sõltub antud soojushulgast q põhjustatud lisahäirete hulk temperatuurist. Kui on juba väga palav, ei tekita natukene lisakuumus palju rohkem häireid, aga kui temperatuur on väga madal, põhjustab sama kuumus järsult korratuse suurenemist. Seetõttu on õigem kirjutada
ds=dq/T
Muutuste suuna analüüsimiseks peame arvestama muutustega nii süsteemis kui ka ümbritsevas. Järgnev Clausiuse ebavõrdsus näitab, mis juhtub soojusenergia ülekandmisel süsteemi ja ümbritseva vahel. (Arvestage, et süsteem on termilises tasakaalus ümbritseva keskkonnaga temperatuuril T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Kui kuumutamine toimub konstantse mahuga, saame ül altoodud võrrandi (1) kirjutada järgmiselt. See võrrand väljendab spontaanse reaktsiooni toimumise kriteeriumi ainult olekufunktsioonide kaudu.
dS – dU/T ≥0
Võrrandit saab ümber korraldada, et saada järgmine võrrand.
TdS ≥dU (võrrand 2) ja seetõttu saab selle kirjutada kujul
dU – TdS ≤0
Ülalolevat väljendit saab lihtsustada, kasutades terminit Helmholtzi energia, A, mida saab defineerida kui
A=U-TS
Ül altoodud võrranditest saame tuletada spontaanse reaktsiooni kriteeriumi kui dA ≤0. See väidab, et muutus süsteemis konstantsel temperatuuril ja mahul on spontaanne, kui dA ≤0. Seega on muutus spontaanne, kui see vastab Helmholtzi energia vähenemisele. Seetõttu liiguvad need süsteemid spontaanselt, et anda väiksem A väärtus.
Gibbsi vaba energia on seotud pideva rõhu juures toimuvate muutustega. Soojusenergia ülekandmisel konstantsel rõhul toimub ainult paisumistöö; seetõttu muudame ja kirjutame võrrandit 2 järgmiselt.
TdS ≥dH
Seda võrrandit saab ümber korraldada, et saada dH-TdS≤0. Terminiga Gibbsi vaba energia G võib selle võrrandi kirjutada järgmiselt:
G=H-TS
Konstantsel temperatuuril ja rõhul on keemilised reaktsioonid spontaansed Gibbsi vaba energia vähenemise suunas. Seetõttu dG ≤0
Mis on tavaline tasuta energia?
Standardne vabaenergia on standardtingimustel määratletud vaba energia. Standardtingimused on temperatuur, 298 K; rõhk, 1 atm või 101,3 kPa; ja kõik lahustunud ained kontsentratsiooniga 1 M. Standardne tasuta energia on tähistatud kui Go.
Mis vahe on tasuta energial ja standardsel vabaenergial?
• Keemias nimetatakse vaba energiat Gibbsi vabaks energiaks. See on seotud pideva rõhu all toimuvate muutustega. Standardne vaba energia on standardtingimustes määratletud vaba energia.
• Seetõttu antakse standardne vaba energia temperatuuril 298K ja rõhul 1 atm, kuid vaba energia väärtus võib sõltuv alt temperatuurist ja rõhust muutuda.
