Fri energi jämfört med standard fri energi
Vad är fri energi?
Mängden arbete som ett termodynamiskt system kan utföra kallas fri energi. Fri energi kan beskrivas med två termer, Helmholtz fri energi och Gibbs fri energi. I kemi, när vi använder ordet”fri energi” betyder det Gibbs fri energi. I fysik avser fri energi Helmholtz fri energi. Båda termerna beskrivs nedan.
Den andra lagen om termodynamik är relaterad till entropi, och den säger "universums entropi ökar i en spontan process." Entropi är relaterad till mängden genererad värme; det är i vilken utsträckning energi har bryts ned. Men faktiskt beror mängden extra störningar som orsakas av en viss mängd värme q på temperaturen. Om det redan är väldigt varmt skapar lite extra värme inte mycket mer oro, men om temperaturen är mycket låg kommer samma mängd värme att orsaka en dramatisk ökning av oordning. Det är därför lämpligare att skriva, ds = dq / T.
För att analysera förändringsriktningen måste vi överväga förändringar i både systemet och det omgivande. Följande Clausius ojämlikhet visar vad som händer när värmeenergi överförs mellan systemet och omgivningen. (Tänk på att systemet är i termisk jämvikt med omgivningen vid temperatur T)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Om uppvärmningen sker med konstant volym kan vi skriva ovanstående ekvation (1) enligt följande. Denna ekvation uttrycker kriteriet för att en spontan reaktion ska ske endast vad gäller tillståndsfunktioner.
dS - dU / T ≥0
Ekvationen kan ordnas om för att få följande ekvation.
TdS ≥dU (ekvation 2), och därför kan den skrivas som
dU - TdS ≤0
Ovanstående uttryck kan förenklas genom användning av termen Helmholtz energy, A, som kan definieras som, A = U-TS
Från ovanstående ekvationer kan vi härleda ett kriterium för en spontan reaktion som dA ≤0. Detta säger att en förändring i ett system vid konstant temperatur och volym är spontan om dA ≤0. Så förändring är spontan när det motsvarar en minskning av Helmholtz-energin. Därför rör sig dessa system i en spontan väg för att ge lägre A-värde.
Gibbs fri energi är relaterad till förändringarna som sker vid konstant tryck. När värmeenergi överförs vid konstant tryck sker endast expansionsarbete; därför modifierar vi och skriver ekvationen 2 enligt följande.
TdS ≥dH
Denna ekvation kan ordnas om för att ge dH-TdS≤0. Med termen Gibbs fri energi, G, kan denna ekvation skrivas som, G = H-TS
Vid konstant temperatur och tryck är kemiska reaktioner spontana i riktning mot att minska Gibbs fria energi. Därför dG ≤0
Vad är standardfri energi?
Standardfri energi är den fria energi som definieras vid standardförhållanden. Standardförhållandena är temperatur, 298 K; tryck, 1 atm eller 101,3 kPa; och alla lösta ämnen vid 1 M koncentration. Standardfri energi betecknas Go.
Vad är skillnaden mellan fri energi och standardfri energi?
• I kemi hänvisas fri energi till Gibbs fri energi. Det är relaterat till förändringarna som sker vid konstant tryck. Standardfri energi är den fria energi som definieras vid standardförhållanden.
• Standardfri energi ges därför vid 298K temperatur och 1 atm tryck, men det fria energivärdet kan ändras beroende på temperatur och tryck.
