Voľná energia vs štandardná voľná energia
Čo je to energia zadarmo?
Množstvo práce, ktoré môže termodynamický systém vykonať, sa nazýva voľná energia. Voľná energia môže byť opísaná pomocou dvoch výrazov, Helmholtzova voľná energia a Gibbsova voľná energia. Keď v chémii použijeme slovo „voľná energia“, znamená to Gibbsovu voľnú energiu. Vo fyzike sa voľnou energiou rozumie Helmholtzova voľná energia. Oba pojmy sú opísané nižšie.
Druhý zákon termodynamiky súvisí s entropiou a hovorí: „entropia vesmíru sa zvyšuje v spontánnom procese.“Entropia súvisí s množstvom generovaného tepla; to je miera, do akej sa degradovala energia. Ale v skutočnosti množstvo mimoriadnej poruchy spôsobenej daným množstvom tepla q závisí od teploty. Ak je už veľmi teplo, trocha tepla navyše nevytvára oveľa viac poruchy, ale ak je teplota veľmi nízka, rovnaké množstvo tepla spôsobí dramatický nárast poruchy. Je preto vhodnejšie napísať, ds = dq / T
Pri analýze smeru zmien musíme brať do úvahy zmeny v systéme aj v jeho okolí. Nasledujúca Clausiova nerovnosť ukazuje, čo sa stane, keď sa tepelná energia prenáša medzi systémom a okolím. (Zvážte, že systém je v tepelnej rovnováhe s okolím pri teplote T)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Ak sa ohrev vykonáva na konštantný objem, môžeme vyššie uvedenú rovnicu (1) napísať nasledovne. Táto rovnica vyjadruje kritérium pre spontánnu reakciu iba z hľadiska stavových funkcií.
dS - dU / T ≥0
Rovnicu je možné usporiadať tak, aby vznikla nasledujúca rovnica.
TdS ≥dU (rovnica 2), a preto ho možno zapísať ako
dU - TdS ≤0
Vyššie uvedený výraz možno zjednodušiť použitím výrazu Helmholtzova energia, A, ktorý možno definovať ako, A = U-TS
Z vyššie uvedených rovníc môžeme odvodiť kritérium pre spontánnu reakciu ako dA ≤0. Toto uvádza, že zmena v systéme pri konštantnej teplote a objeme je spontánna, ak dA ≤0. Zmena je teda spontánna, ak zodpovedá zníženiu Helmholtzovej energie. Preto sa tieto systémy pohybujú spontánnou cestou, aby poskytli nižšiu hodnotu A.
Gibbsova voľná energia súvisí so zmenami prebiehajúcimi pri konštantnom tlaku. Keď sa tepelná energia prenáša pri konštantnom tlaku, dochádza iba k expanznej práci; preto upravíme a napíšeme rovnicu 2 nasledovne.
TdS ≥dH
Táto rovnica môže byť zmenená, aby poskytla dH-TdS≤0. S pojmom Gibbsova voľná energia, G, možno túto rovnicu napísať ako, G = H-TS
Pri konštantnej teplote a tlaku sú chemické reakcie spontánne v smere znižovania Gibbsovej voľnej energie. Preto dG ≤0
Čo je štandardná bezplatná energia?
Štandardná voľná energia je voľná energia definovaná za štandardných podmienok. Štandardnými podmienkami sú teplota 298 K; tlak, 1 atm alebo 101,3 kPa; a všetky rozpustené látky v koncentrácii 1 M. Štandardná voľná energia sa označuje ako Go.
Aký je rozdiel medzi bezplatnou energiou a štandardnou bezplatnou energiou?
• V chémii sa voľná energia označuje ako Gibbsova voľná energia. Súvisí to so zmenami, ku ktorým dochádza pri konštantnom tlaku. Štandardná voľná energia je voľná energia definovaná za štandardných podmienok.
• Preto sa štandardná voľná energia dáva pri teplote 298 K a tlaku 1 atm, ale hodnota voľnej energie sa môže meniť v závislosti od teploty a tlaku.
