Fri energi vs standard fri energi
Hvad er fri energi?
Mængden af arbejde, som et termodynamisk system kan udføre, er kendt som fri energi. Fri energi kan beskrives ved hjælp af to udtryk, Helmholtz fri energi og Gibbs fri energi. I kemi, når vi bruger ordet "fri energi" betyder det Gibbs fri energi. I fysik henviser fri energi til Helmholtz fri energi. Begge udtryk er beskrevet nedenfor.
Den anden lov om termodynamik er relateret til entropi, og den siger, "universets entropi øges i en spontan proces." Entropi er relateret til mængden af genereret varme; det er i hvilket omfang energi er blevet nedbrudt. Men faktisk afhænger mængden af ekstra lidelse forårsaget af en given mængde varme q af temperaturen. Hvis det allerede er meget varmt, skaber lidt ekstra varme ikke meget mere uorden, men hvis temperaturen er meget lav, vil den samme mængde varme medføre en dramatisk stigning i uorden. Det er derfor mere passende at skrive, ds = dq / T.
For at analysere forandringsretningen skal vi overveje ændringer i både systemet og det omgivende. Den følgende Clausius-ulighed viser, hvad der sker, når varmeenergi overføres mellem systemet og det omgivende. (Overvej, at systemet er i termisk ligevægt med omgivelserne ved temperatur T)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Hvis opvarmningen udføres med konstant volumen, kan vi skrive ovenstående ligning (1) som følger. Denne ligning udtrykker kriteriet for, at en spontan reaktion kun skal finde sted med hensyn til tilstandsfunktioner.
dS - dU / T ≥0
Ligningen kan arrangeres for at få følgende ligning.
TdS ≥dU (ligning 2), og derfor kan den skrives som
dU - TdS ≤0
Ovenstående udtryk kan forenkles ved anvendelse af udtrykket Helmholtz energi, A, som kan defineres som, A = U-TS
Fra ovenstående ligninger kan vi udlede et kriterium for en spontan reaktion som dA ≤0. Dette siger, at en ændring i et system ved konstant temperatur og volumen er spontan, hvis dA ≤0. Så forandring er spontan, når det svarer til et fald i Helmholtz-energien. Derfor bevæger disse systemer sig spontant for at give lavere A-værdi.
Gibbs fri energi er relateret til ændringer, der sker ved konstant tryk. Når varmeenergi overføres ved konstant tryk, er der kun ekspansionsarbejde; derfor ændrer og skriver vi ligningen 2 som følger.
TdS ≥dH
Denne ligning kan arrangeres for at give dH-TdS≤0. Med udtrykket Gibbs fri energi, G, kan denne ligning skrives som, G = H-TS
Ved konstant temperatur og tryk er kemiske reaktioner spontane i retning af faldende Gibbs fri energi. Derfor skal dG ≤0
Hvad er standardfri energi?
Standardfri energi er den frie energi defineret under standardbetingelser. Standardbetingelserne er temperatur, 298 K; tryk, 1 atm eller 101,3 kPa; og alle opløste stoffer i 1 M koncentration. Standardfri energi betegnes som Go.
Hvad er forskellen mellem fri energi og standard fri energi?
• I kemi henvises fri energi til Gibbs fri energi. Det er relateret til de ændringer, der sker ved konstant tryk. Standardfri energi er den frie energi defineret under standardbetingelser.
• Derfor gives standard fri energi ved 298K temperatur og 1 atm tryk, men den frie energiværdi kan ændre sig afhængigt af temperatur og tryk.
