Ilmainen energia vs tavallinen ilmainen energia
Mitä on vapaa energia?
Työmäärä, jonka termodynaaminen järjestelmä voi tehdä, tunnetaan vapaana energiana. Vapaata energiaa voidaan kuvata kahdella termillä, Helmholtzin vapaa energia ja Gibbsin vapaa energia. Kemiassa, kun käytämme sanaa "vapaa energia", se tarkoittaa Gibbsin ilmaista energiaa. Fysiikassa vapaalla energialla tarkoitetaan Helmholtzin vapaata energiaa. Molemmat termit on kuvattu alla.
Termodynamiikan toinen pääsääntö liittyy entropiaan, ja se sanoo: "universumin entropia kasvaa spontaanissa prosessissa." Entropia liittyy tuotetun lämmön määrään; siinä määrin energia on heikentynyt. Mutta itse asiassa tietyn lämpömäärän q aiheuttaman ylimääräisen häiriön määrä riippuu lämpötilasta. Jos on jo erittäin kuuma, ei pieni ylimääräinen lämpö aiheuta paljon enempää epäjärjestystä, mutta jos lämpötila on hyvin alhainen, sama lämpö aiheuttaa dramaattisen häiriön lisääntymisen. Siksi on tarkoituksenmukaisempaa kirjoittaa
ds=dq/T
Muutoksen suunnan analysoimiseksi meidän on otettava huomioon muutokset sekä järjestelmässä että ympäristössä. Seuraava Clausius-epäyhtälö näyttää, mitä tapahtuu, kun lämpöenergiaa siirretään järjestelmän ja ympäristön välillä. (Oletetaan, että järjestelmä on lämpötasapainossa ympäristön kanssa lämpötilassa T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Jos lämmitys tapahtuu vakiotilavuudella, voimme kirjoittaa yllä olevan yhtälön (1) seuraavasti. Tämä yhtälö ilmaisee kriteerin spontaanin reaktion tapahtumiselle vain tilatoimintojen suhteen.
dS – dU/T ≥0
Yhtälö voidaan järjestää uudelleen, jotta saadaan seuraava yhtälö.
TdS ≥dU (yhtälö 2), ja siksi se voidaan kirjoittaa muodossa
dU – TdS ≤0
Yllä olevaa lauseketta voidaan yksinkertaistaa käyttämällä termiä Helmholtzin energia, A, joka voidaan määritellä seuraavasti:
A=U-TS
Yllä olevista yhtälöistä voimme johtaa spontaanin reaktion kriteerin dA ≤0. Tämä väittää, että muutos järjestelmässä vakiolämpötilassa ja tilavuudessa on spontaani, jos dA ≤0. Muutos on siis spontaani, kun se vastaa Helmholtzin energian vähenemistä. Siksi nämä järjestelmät liikkuvat spontaanilla polulla, jolloin saadaan pienempi A-arvo.
Gibbsin vapaa energia liittyy jatkuvassa paineessa tapahtuviin muutoksiin. Kun lämpöenergiaa siirretään vakiopaineessa, tapahtuu vain laajennustyötä; siksi muokkaamme 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 muodossa
G=H-TS
Vakiolämpötilassa ja paineessa kemialliset reaktiot ovat spontaaneja Gibbsin vapaan energian vähenemisen suuntaan. Siksi dG ≤0
Mikä on normaali ilmainen energia?
Vakiovapaa energia on vapaata energiaa, joka on määritelty vakioolosuhteissa. Vakioolosuhteet ovat lämpötila, 298 K; paine, 1 atm tai 101,3 kPa; ja kaikki liuenneet aineet pitoisuutena 1 M. Normaali ilmainen energia on merkitty Go.
Mitä eroa on Free Energyn ja Standard Free Energyn välillä?
• Kemiassa vapaata energiaa kutsutaan Gibbsin vapaaksi energiaksi. Se liittyy jatkuvassa paineessa tapahtuviin muutoksiin. Vakiovapaa energia on vapaata energiaa, joka on määritelty standardiolosuhteissa.
• Siksi standardi vapaa energia annetaan 298K lämpötilassa ja 1 atm paineessa, mutta vapaan energian arvo voi muuttua lämpötilan ja paineen mukaan.
