Tasuta energia vs tavaline vaba energia
Mis on vaba energia?
Tööde hulka, mida termodünaamiline süsteem suudab teha, nimetatakse vaba energiaks. Vaba energiat saab kirjeldada kahe termini abil: Helmholtzi ja Gibbsi vaba energia. Keemias, kui kasutame sõna “tasuta energia”, tähendab see Gibbsi vaba energiat. Füüsikas tähistab vaba energia Helmholtzi vaba energiat. Mõlemat terminit on kirjeldatud allpool.
Termodünaamika teine seadus on seotud entroopiaga ja see ütleb: "Universumi entroopia suureneb spontaanses protsessis". Entroopia on seotud tekkiva soojushulgaga; see on energia lagunemise ulatus. Kuid tegelikult sõltub antud soojushulgast q tingitud lisahäirete temperatuur temperatuurist. Kui see on juba väga kuum, ei tekita natuke lisakuumust palju rohkem häireid, kuid kui temperatuur on väga madal, põhjustab sama palju soojust häire dramaatiliselt. Seetõttu on sobivam kirjutada, ds = dq / T
Muutumissuuna analüüsimiseks peame arvestama muutustega nii süsteemis kui ka ümbritsevas. Järgmine Clausiuse ebavõrdsus näitab, mis juhtub, kui soojusenergia kandub süsteemi ja ümbritseva vahel. (Arvestage, et temperatuuril T on süsteem ümbritsevaga termilises tasakaalus)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Kui kuumutamine toimub püsiva helitugevusega, võime ülaltoodud võrrandi (1) kirjutada järgmiselt. See võrrand väljendab spontaanse reaktsiooni toimumise kriteeriumi ainult riigi funktsioonide osas.
dS - dU / T ≥0
Võrrandi saab ümber korraldada, et saada järgmine võrrand.
TdS ≥dU (võrrand 2) ja seetõttu saab selle kirjutada järgmiselt
dU - TdS ≤0
Ülaltoodud väljendit saab lihtsustada, kasutades terminit Helmholtzi energia A, mida saab määratleda järgmiselt:
A = U-TS
Ülaltoodud võrranditest saame tuletada spontaanse reaktsiooni kriteeriumi dA ≤0. See kinnitab, et muutus süsteemis püsiva temperatuuri ja mahu korral on spontaanne, kui dA ≤0. Nii et muutused on spontaansed, kui need vastavad Helmholtzi energia vähenemisele. Seetõttu liiguvad need süsteemid spontaansel teel, et anda madalam A väärtus.
Gibbsi vaba energia on seotud pideva rõhu all toimuvate muutustega. Kui soojusenergia kantakse üle püsiva rõhu all, toimub ainult laiendustöö; seetõttu muudame ja kirjutame võrrandit 2 järgmiselt.
TdS ≥dH
Selle võrrandi saab ümber korraldada, saades dH-TdS≤0. Terminiga Gibbsi vaba energia G saab selle võrrandi kirjutada järgmiselt:
G = H-TS
Pideval temperatuuril ja rõhul toimuvad keemilised reaktsioonid spontaanselt Gibbsi vaba energia vähenemise suunas. Seetõttu on dG ≤0
Mis on tavaline vaba energia?
Standardvaba energia on standardtingimustes määratletud vabaenergia. Tingimusteks on temperatuur 298 K; rõhk, 1 atm või 101,3 kPa; ja kõik lahustunud ained kontsentratsioonil 1 M. Standardset vaba energiat tähistatakse kui Go.
Mis vahe on vabal energial ja tavalisel vabal energial?
• Keemias nimetatakse vaba energiat Gibbsi vabaks energiaks. See on seotud pideva rõhu all toimuvate muutustega. Standardvaba energia on standardtingimustes määratletud vabaenergia.
• Seetõttu antakse standardne vaba energia 298K temperatuuril ja 1 atm rõhul, kuid vaba energia väärtus võib muutuda sõltuvalt temperatuurist ja rõhust.
