Δωρεάν ενέργεια έναντι τυπικής δωρεάν ενέργειας
Τι είναι η δωρεάν ενέργεια;
Η ποσότητα της εργασίας που μπορεί να εκτελέσει ένα θερμοδυναμικό σύστημα είναι γνωστή ως ελεύθερη ενέργεια. Η ελεύθερη ενέργεια μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας δύο όρους, ελεύθερη ενέργεια Helmholtz και ελεύθερη ενέργεια Gibbs. Στη χημεία, όταν χρησιμοποιούμε τη λέξη «ελεύθερη ενέργεια» σημαίνει ελεύθερη ενέργεια του Γκιμπς. Στη φυσική, η ελεύθερη ενέργεια αναφέρεται στην ελεύθερη ενέργεια Helmholtz. Και οι δύο όροι περιγράφονται παρακάτω.
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής σχετίζεται με την εντροπία και λέει, «η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται με μια αυθόρμητη διαδικασία». Η εντροπία σχετίζεται με την ποσότητα της παραγόμενης θερμότητας. αυτός είναι ο βαθμός στον οποίο η ενέργεια έχει υποβαθμιστεί. Αλλά, στην πραγματικότητα, η ποσότητα της επιπλέον διαταραχής που προκαλείται από μια δεδομένη ποσότητα θερμότητας q εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Εάν έχει ήδη πολύ ζέστη, λίγη επιπλέον θερμότητα δεν δημιουργεί πολύ περισσότερη αταξία, αλλά εάν η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή, η ίδια ποσότητα θερμότητας θα προκαλέσει δραματική αύξηση της αταξίας. Επομένως, είναι πιο σωστό να γράψετε, ds=dq/T
Για να αναλύσουμε την κατεύθυνση της αλλαγής, πρέπει να εξετάσουμε τις αλλαγές τόσο στο σύστημα όσο και στο περιβάλλον. Η ακόλουθη ανισότητα Clausius δείχνει τι συμβαίνει όταν η θερμική ενέργεια μεταφέρεται μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος. (Σκεφτείτε ότι το σύστημα βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον σε θερμοκρασία T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Αν η θέρμανση γίνεται σε σταθερό όγκο, μπορούμε να γράψουμε την παραπάνω εξίσωση (1) ως εξής. Αυτή η εξίσωση εκφράζει το κριτήριο για μια αυθόρμητη αντίδραση που πρέπει να λάβει χώρα μόνο ως προς τις συναρτήσεις κατάστασης.
dS – dU/T ≥0
Η εξίσωση μπορεί να αναδιαταχθεί για να ληφθεί η ακόλουθη εξίσωση.
TdS ≥dU (Εξίσωση 2), και επομένως, μπορεί να γραφτεί ως
dU – TdS ≤0
Η παραπάνω έκφραση μπορεί να απλοποιηθεί με τη χρήση του όρου ενέργεια Helmholtz, Α, που μπορεί να οριστεί ως, A=U-TS
Από τις παραπάνω εξισώσεις, μπορούμε να εξαγάγουμε ένα κριτήριο για μια αυθόρμητη αντίδραση ως dA ≤0. Αυτό δηλώνει ότι, μια αλλαγή σε ένα σύστημα σε σταθερή θερμοκρασία και όγκο είναι αυθόρμητη εάν dA ≤0. Άρα η αλλαγή είναι αυθόρμητη όταν αντιστοιχεί σε μείωση της ενέργειας Helmholtz. Επομένως, αυτά τα συστήματα κινούνται σε μια αυθόρμητη διαδρομή, για να δώσουν χαμηλότερη τιμή A.
Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs σχετίζεται με τις αλλαγές που συμβαίνουν σε σταθερή πίεση. Όταν η θερμική ενέργεια μεταφέρεται με σταθερή πίεση, υπάρχει μόνο έργο διαστολής. Επομένως, τροποποιούμε και γράφουμε την εξίσωση 2 ως εξής.
TdS ≥dH
Αυτή η εξίσωση μπορεί να αναδιαταχθεί για να δώσει dH-TdS≤0. Με τον όρο ελεύθερη ενέργεια Gibbs, G, αυτή η εξίσωση μπορεί να γραφτεί ως, G=H-TS
Σε σταθερή θερμοκρασία και πίεση, οι χημικές αντιδράσεις είναι αυθόρμητες προς την κατεύθυνση της μείωσης της ελεύθερης ενέργειας Gibbs. Επομένως, dG ≤0
Τι είναι η τυπική δωρεάν ενέργεια;
Τυπική ελεύθερη ενέργεια είναι η ελεύθερη ενέργεια που ορίζεται σε τυπικές συνθήκες. Οι τυπικές συνθήκες είναι η θερμοκρασία, 298 K; πίεση, 1 atm ή 101,3 kPa. και όλες τις διαλυμένες ουσίες σε συγκέντρωση 1 Μ. Η τυπική ελεύθερη ενέργεια συμβολίζεται ως Go.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της Δωρεάν Ενέργειας και της Τυποποιημένης Δωρεάν Ενέργειας;
• Στη χημεία, η ελεύθερη ενέργεια αναφέρεται σε ελεύθερη ενέργεια Gibbs. Σχετίζεται με τις αλλαγές που συμβαίνουν υπό συνεχή πίεση. Η τυπική ελεύθερη ενέργεια είναι η ελεύθερη ενέργεια που ορίζεται σε τυπικές συνθήκες.
• Επομένως, η τυπική ελεύθερη ενέργεια δίνεται σε θερμοκρασία 298K και πίεση 1 atm, αλλά η τιμή της ελεύθερης ενέργειας μπορεί να αλλάξει ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση.
