Prosta energija v primerjavi s standardno brezplačno energijo
Kaj je brezplačna energija?
Količina dela, ki ga lahko opravi termodinamični sistem, je znana kot prosta energija. Prosto energijo lahko opišemo z dvema izrazoma, Helmholtzova prosta energija in Gibbsova prosta energija. V kemiji, ko uporabimo besedo "prosta energija", to pomeni Gibbsovo brezplačno energijo. V fiziki se prosta energija nanaša na Helmholtzovo prosto energijo. Oba izraza sta opisana spodaj.
Drugi zakon termodinamike je povezan z entropijo in pravi, da se "entropija vesolja povečuje v spontanem procesu." Entropija je povezana s količino proizvedene toplote; to je obseg, do katerega je bila energija degradirana. Toda v resnici je količina dodatne motnje, ki jo povzroča določena količina toplote q, odvisna od temperature. Če je že zelo vroče, malo dodatne toplote ne povzroči veliko več nereda, če pa je temperatura zelo nizka, bo enaka količina toplote povzročila dramatično povečanje nereda. Zato je primerneje napisati
ds=dq/T
Za analizo smeri sprememb moramo upoštevati spremembe v sistemu in okolici. Naslednja Clausiusova neenakost prikazuje, kaj se zgodi, ko se toplotna energija prenaša med sistemom in okolico. (Predvidevamo, da je sistem v toplotnem ravnovesju z okolico pri temperaturi T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Če se segrevanje izvaja pri konstantnem volumnu, lahko zgornjo enačbo (1) zapišemo takole. Ta enačba izraža merilo za spontano reakcijo samo v smislu funkcij stanja.
dS – dU/T ≥0
Enačbo lahko preuredimo, da dobimo naslednjo enačbo.
TdS ≥dU (enačba 2), zato jo lahko zapišemo kot
dU – TdS ≤0
Zgornji izraz je mogoče poenostaviti z uporabo izraza Helmholtzova energija, A, ki jo lahko definiramo kot
A=U-TS
Iz zgornjih enačb lahko izpeljemo kriterij za spontano reakcijo, če je dA ≤0. To navaja, da je sprememba v sistemu pri stalni temperaturi in volumnu spontana, če je dA ≤0. Sprememba je torej spontana, ko ustreza zmanjšanju Helmholtzeve energije. Zato se ti sistemi premikajo po spontani poti, da dajo nižjo vrednost A.
Gibbsova prosta energija je povezana s spremembami, ki se dogajajo pri konstantnem tlaku. Ko se toplotna energija prenaša pri konstantnem tlaku, pride samo do ekspanzijskega dela; zato modificiramo in zapišemo enačbo 2, kot sledi.
TdS ≥dH
To enačbo je mogoče preurediti, da dobimo dH-TdS≤0. Z izrazom Gibbsova prosta energija G lahko to enačbo zapišemo kot
G=H-TS
Pri stalni temperaturi in tlaku potekajo kemijske reakcije spontano v smeri zmanjševanja Gibbsove proste energije. Zato je dG ≤0
Kaj je standardna brezplačna energija?
Standardna prosta energija je prosta energija, definirana pri standardnih pogojih. Standardni pogoji so temperatura, 298 K; tlak, 1 atm ali 101,3 kPa; in vse raztopljene snovi pri koncentraciji 1 M. Standardna brezplačna energija je označena kot Go.
Kakšna je razlika med brezplačno energijo in standardno brezplačno energijo?
• V kemiji se prosta energija imenuje Gibbsova prosta energija. Povezan je s spremembami, ki se dogajajo pri stalnem pritisku. Standardna prosta energija je prosta energija, definirana pri standardnih pogojih.
• Zato je standardna prosta energija dana pri temperaturi 298 K in tlaku 1 atm, vendar se lahko vrednost proste energije spreminja glede na temperaturo in tlak.
