Безплатна енергия срещу стандартна безплатна енергия
Какво е безплатна енергия?
Количеството работа, което една термодинамична система може да извърши, е известно като свободна енергия. Свободната енергия може да бъде описана с помощта на два термина, свободна енергия на Хелмхолц и свободна енергия на Гибс. В химията, когато използваме думата „свободна енергия“, това означава свободна енергия на Гибс. Във физиката свободната енергия се отнася до свободната енергия на Хелмхолц. И двата термина са описани по-долу.
Вторият закон на термодинамиката е свързан с ентропията и гласи, че „ентропията на Вселената нараства в спонтанен процес“. Ентропията е свързана с количеството генерирана топлина; това е степента, до която енергията е влошена. Но всъщност количеството допълнително разстройство, причинено от дадено количество топлина q, зависи от температурата. Ако вече е много горещо, малко допълнителна топлина не създава много повече безредици, но ако температурата е много ниска, същото количество топлина ще доведе до драматично увеличаване на безредиците. Следователно е по-подходящо да напишете
ds=dq/T
За да анализираме посоката на промяната, трябва да вземем предвид промените както в системата, така и в околната среда. Следното неравенство на Клаузиус показва какво се случва, когато топлинната енергия се пренася между системата и околната среда. (Считайте, че системата е в топлинно равновесие с околната среда при температура T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Ако нагряването се извършва при постоянен обем, можем да напишем горното уравнение (1), както следва. Това уравнение изразява критерия за възникване на спонтанна реакция само по отношение на функциите на състоянието.
dS – dU/T ≥0
Уравнението може да се пренареди, за да се получи следното уравнение.
TdS ≥dU (Уравнение 2) и следователно може да бъде записано като
dU – TdS ≤0
Горният израз може да бъде опростен чрез използването на термина Helmholtz енергия, A, който може да се дефинира като
A=U-TS
От горните уравнения можем да изведем критерий за спонтанна реакция като dA ≤0. Това гласи, че промяната в система при постоянна температура и обем е спонтанна, ако dA ≤0. Така че промяната е спонтанна, когато съответства на намаляване на енергията на Хелмхолц. Следователно тези системи се движат по спонтанен път, за да дадат по-ниска стойност A.
Свободната енергия на Гибс е свързана с промените, случващи се при постоянно налягане. Когато топлинната енергия се пренася при постоянно налягане, има само работа на разширение; следователно, ние променяме и записваме уравнение 2, както следва.
TdS ≥dH
Това уравнение може да бъде пренаредено, за да даде dH-TdS≤0. С термина свободна енергия на Гибс, G, това уравнение може да бъде написано като
G=H-TS
При постоянна температура и налягане химичните реакции са спонтанни в посока на намаляване на свободната енергия на Гибс. Следователно dG ≤0
Какво е стандартна безплатна енергия?
Стандартната безплатна енергия е безплатната енергия, дефинирана при стандартни условия. Стандартните условия са температура 298 K; налягане, 1 atm или 101,3 kPa; и всички разтворени вещества при 1 М концентрация. Стандартната безплатна енергия се обозначава като Go.
Каква е разликата между безплатна енергия и стандартна безплатна енергия?
• В химията свободната енергия се нарича свободна енергия на Гибс. Това е свързано с промените, настъпващи при постоянно налягане. Стандартната свободна енергия е свободната енергия, дефинирана при стандартни условия.
• Следователно стандартната безплатна енергия се дава при температура 298K и 1 atm налягане, но стойността на свободната енергия може да се променя в зависимост от температурата и налягането.
