Brezplačna energija v primerjavi s standardno brezplačno energijo
Kaj je prosta energija?
Količina dela, ki ga lahko opravi termodinamični sistem, je znana kot prosta energija. Prosto energijo lahko opišemo z dvema izrazoma, Helmholtzovo brezplačno energijo in Gibbsovo brezplačno energijo. V kemiji, ko uporabljamo besedo "prosta energija", ki pomeni Gibbsovo brezplačno energijo. V fiziki se prosta energija nanaša na Helmholtzovo brezplačno energijo. Oba izraza sta opisana spodaj.
Drugi zakon termodinamike je povezan z entropijo in pravi: "entropija vesolja narašča v spontanem procesu." Entropija je povezana s količino proizvedene toplote; to je stopnja razgradnje energije. Toda dejansko je količina dodatne motnje, ki jo povzroči določena količina toplote q, odvisna od temperature. Če je že zelo vroče, malo dodatne toplote ne ustvari veliko večje motnje, če pa je temperatura zelo nizka, bo enaka količina toplote močno povečala motnje. Zato je bolj primerno pisati, ds = dq / T
Za analizo smeri sprememb moramo upoštevati spremembe tako v sistemu kot v okolici. Naslednja Klavzijeva neenakost prikazuje, kaj se zgodi, ko se toplotna energija prenaša med sistemom in okolico. (Upoštevajte, da je sistem v temperaturnem ravnovesju z okolico pri temperaturi T)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Če gremo s konstantno prostornino, lahko zgornjo enačbo (1) zapišemo na naslednji način. Ta enačba izraža merilo, da pride do spontane reakcije samo v smislu državnih funkcij.
dS - dU / T ≥0
Enačbo lahko preuredimo tako, da dobimo naslednjo enačbo.
TdS ≥dU (enačba 2), zato jo lahko zapišemo kot
dU - TdS ≤0
Zgornji izraz lahko poenostavimo z uporabo izraza Helmholtzova energija A, ki ga lahko definiramo kot
A = U-TS
Iz zgornjih enačb lahko izpeljemo merilo spontane reakcije kot dA ≤0. To navaja, da je sprememba sistema pri konstantni temperaturi in prostornini spontana, če je dA ≤0. Sprememba je torej spontana, kadar ustreza zmanjšanju Helmholtzove energije. Zato se ti sistemi premikajo po spontani poti, da dobijo nižjo vrednost A.
Gibbsova prosta energija je povezana s spremembami, ki se dogajajo pri stalnem tlaku. Ko se toplotna energija prenaša s konstantnim tlakom, pride le do raztezanja; zato enačbo 2 spremenimo in zapišemo na naslednji način.
TdS ≥dH
To enačbo lahko preuredimo tako, da dobimo dH-TdS≤0. Z izrazom Gibbsova prosta energija G lahko to enačbo zapišemo kot, G = H-TS
Pri stalni temperaturi in tlaku so kemijske reakcije spontane v smeri zmanjševanja Gibbsove proste energije. DG ≤0
Kaj je standardna brezplačna energija?
Standardna prosta energija je prosta energija, določena v standardnih pogojih. Standardni pogoji so temperatura, 298 K; tlak, 1 atm ali 101,3 kPa; in vse topljene snovi v koncentraciji 1 M. Standardna prosta energija je označena kot Go.
Kakšna je razlika med brezplačno energijo in standardno brezplačno energijo?
• V kemiji se prosta energija imenuje Gibbsova prosta energija. Povezan je s spremembami, ki se dogajajo pri stalnem pritisku. Standardna prosta energija je prosta energija, določena v standardnih pogojih.
• Zato je standardna prosta energija dana pri temperaturi 298K in tlaku 1 atm, vendar se lahko vrednost proste energije spreminja glede na temperaturo in tlak.
