Bezplatná energia verzus štandardná bezplatná energia
Čo je voľná energia?
Množstvo práce, ktoré môže termodynamický systém vykonať, sa nazýva voľná energia. Voľná energia môže byť opísaná pomocou dvoch pojmov, Helmholtzova voľná energia a Gibbsova voľná energia. V chémii, keď používame slovo „voľná energia“, znamená to Gibbsovu voľnú energiu. Vo fyzike sa voľná energia vzťahuje na Helmholtzovu voľnú energiu. Oba výrazy sú popísané nižšie.
Druhý zákon termodynamiky súvisí s entropiou a hovorí, že „entropia vesmíru sa spontánne zvyšuje“. Entropia súvisí s množstvom vytvoreného tepla; to je rozsah, v akom bola energia degradovaná. Ale v skutočnosti množstvo ďalšej poruchy spôsobenej daným množstvom tepla q závisí od teploty. Ak je už veľmi horúco, trochu tepla navyše nevytvorí oveľa väčší neporiadok, ale ak je teplota veľmi nízka, rovnaké množstvo tepla spôsobí dramatický nárast neporiadku. Preto je vhodnejšie napísať, ds=dq/T
Aby sme mohli analyzovať smer zmeny, musíme zvážiť zmeny v systéme aj v okolí. Nasledujúca Clausiusova nerovnosť ukazuje, čo sa stane, keď sa tepelná energia prenáša medzi systémom a okolím. (Uvažujme, že systém je v tepelnej rovnováhe s okolím pri teplote T)
dS – dq/T ≥0 …………(1)
Ak sa zahrievanie vykonáva pri konštantnom objeme, môžeme vyššie uvedenú rovnicu (1) zapísať nasledovne. Táto rovnica vyjadruje kritérium pre spontánnu reakciu, ktorá sa má uskutočniť len z hľadiska stavových funkcií.
dS – dU/T ≥0
Rovnicu je možné preusporiadať, aby sme dostali nasledujúcu rovnicu.
TdS ≥dU (2. rovnica), a preto ju možno napísať ako
dU – TdS ≤0
Vyššie uvedený výraz možno zjednodušiť použitím výrazu Helmholtzova energia, A, ktorý možno definovať ako, A=U-TS
Z vyššie uvedených rovníc môžeme odvodiť kritérium pre spontánnu reakciu ako dA ≤0. To znamená, že zmena v systéme pri konštantnej teplote a objeme je spontánna, ak dA ≤0. Zmena je teda spontánna, keď zodpovedá poklesu Helmholtzovej energie. Preto sa tieto systémy pohybujú spontánne a poskytujú nižšiu hodnotu A.
Gibbsova voľná energia súvisí so zmenami, ktoré sa dejú pri konštantnom tlaku. Keď sa tepelná energia prenáša pri konštantnom tlaku, dochádza len k expanzii; preto upravíme a zapíšeme rovnicu 2 nasledovne.
TdS ≥dH
Túto rovnicu je možné preusporiadať tak, aby poskytla dH-TdS≤0. S výrazom Gibbsova voľná energia, G, možno túto rovnicu zapísať ako, G=H-TS
Pri konštantnej teplote a tlaku sú chemické reakcie spontánne v smere klesajúcej Gibbsovej voľnej energie. Preto dG ≤0
Čo je štandardná bezplatná energia?
Štandardná voľná energia je voľná energia definovaná za štandardných podmienok. Štandardné podmienky sú teplota, 298 K; tlak 1 atm alebo 101,3 kPa; a všetky rozpustené látky v koncentrácii 1 M. Štandardná voľná energia je označená ako Go.
Aký je rozdiel medzi bezplatnou energiou a štandardnou bezplatnou energiou?
• V chémii sa voľná energia označuje ako Gibbsova voľná energia. Súvisí so zmenami, ktoré sa dejú pri konštantnom tlaku. Štandardná voľná energia je voľná energia definovaná za štandardných podmienok.
• Štandardná voľná energia sa preto udáva pri teplote 298 K a tlaku 1 atm, ale hodnota voľnej energie sa môže meniť v závislosti od teploty a tlaku.
