Volná energie vs. standardní volná energie
Co je to energie zdarma?
Množství práce, které může termodynamický systém vykonat, se nazývá volná energie. Volnou energii lze popsat pomocí dvou termínů, Helmholtzova volná energie a Gibbsova volná energie. Když v chemii použijeme slovo „volná energie“, znamená to Gibbsovu volnou energii. Ve fyzice se volnou energií rozumí Helmholtzova volná energie. Oba pojmy jsou popsány níže.
Druhý zákon termodynamiky souvisí s entropií a říká: „entropie vesmíru se zvyšuje v spontánním procesu.“Entropie souvisí s množstvím generovaného tepla; to je míra, do jaké byla energie degradována. Ve skutečnosti však množství další poruchy způsobené daným množstvím tepla q závisí na teplotě. Pokud je již velmi teplo, trocha tepla navíc nevytváří mnohem více poruchy, ale pokud je teplota velmi nízká, stejné množství tepla způsobí dramatický nárůst poruchy. Je proto vhodnější psát, ds = dq / T
Abychom mohli analyzovat směr změny, musíme vzít v úvahu změny v systému i v jeho okolí. Následující Clausiova nerovnost ukazuje, co se stane, když se tepelná energie přenáší mezi systémem a okolím. (Uvažujme, že systém je v teplotní rovnováze s okolím při teplotě T)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Pokud je ohřev prováděn při konstantním objemu, můžeme napsat výše uvedenou rovnici (1) následovně. Tato rovnice vyjadřuje kritérium, aby spontánní reakce proběhla pouze z hlediska stavových funkcí.
dS - dU / T ≥0
Rovnici lze přeskupit a získat následující rovnici.
TdS ≥dU (rovnice 2), a proto jej lze zapsat jako
dU - TdS ≤0
Výše uvedený výraz lze zjednodušit použitím termínu Helmholtzova energie, A, který lze definovat jako, A = U-TS
Z výše uvedených rovnic můžeme odvodit kritérium pro spontánní reakci jako dA ≤0. To říká, že změna v systému při konstantní teplotě a objemu je spontánní, pokud dA ≤0. Změna je tedy spontánní, když odpovídá snížení Helmholtzovy energie. Proto se tyto systémy pohybují spontánní cestou, aby poskytly nižší hodnotu A.
Gibbsova volná energie souvisí se změnami probíhajícími při konstantním tlaku. Když se tepelná energie přenáší za konstantního tlaku, dochází pouze k expanzní práci; proto upravíme a zapíšeme rovnici 2 následovně.
TdS ≥dH
Tuto rovnici lze přeskupit a získat dH-TdS≤0. S termínem Gibbsova volná energie, G, lze tuto rovnici psát jako, G = H-TS
Při konstantní teplotě a tlaku jsou chemické reakce spontánní ve směru snižování Gibbsovy volné energie. Proto dG ≤0
Co je standardní energie zdarma?
Standardní volná energie je volná energie definovaná za standardních podmínek. Standardní podmínky jsou teplota 298 K; tlak, 1 atm nebo 101,3 kPa; a všechny rozpuštěné látky v koncentraci 1 M. Standardní volná energie se označuje jako Go.
Jaký je rozdíl mezi volnou energií a standardní volnou energií?
• V chemii se volná energie označuje jako Gibbsova volná energie. Souvisí to se změnami, ke kterým dochází při stálém tlaku. Standardní volná energie je volná energie definovaná za standardních podmínek.
• Proto je standardní volná energie poskytována při teplotě 298 K a tlaku 1 atm, ale hodnota volné energie se může měnit v závislosti na teplotě a tlaku.
