Besplatna energija u odnosu na standardnu besplatnu energiju
Što je besplatna energija?
Količina rada koju termodinamički sustav može izvesti poznata je kao slobodna energija. Slobodna energija se može opisati pomoću dva pojma, Helmholtz slobodna energija i Gibbsova slobodna energija. U kemiji, kada koristimo riječ "slobodna energija", to znači Gibbsovu slobodnu energiju. U fizici se slobodna energija odnosi na Helmholtzovu slobodnu energiju. Oba pojma opisana su u nastavku.
Drugi zakon termodinamike povezan je s entropijom i kaže da se "entropija svemira povećava u spontanom procesu." Entropija je povezana s količinom proizvedene topline; to je mjera u kojoj je energija degradirana. No, zapravo, količina dodatnog poremećaja uzrokovana danom količinom topline q ovisi o temperaturi. Ako je već jako vruće, malo dodatne topline ne stvara mnogo više nereda, ali ako je temperatura vrlo niska, ista količina topline uzrokovat će dramatično povećanje nereda. Stoga je prikladnije napisati, ds=dq/T
Da bismo analizirali smjer promjene, moramo uzeti u obzir promjene u sustavu i okruženju. Sljedeća Clausiusova nejednadžba pokazuje što se događa kada se toplinska energija prenosi između sustava i okoline. (Smatrajmo da je sustav u toplinskoj ravnoteži s okolinom na temperaturi T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Ako se zagrijavanje vrši pri konstantnom volumenu, gornju jednadžbu (1) možemo napisati na sljedeći način. Ova jednadžba izražava kriterij za odvijanje spontane reakcije samo u smislu funkcija stanja.
dS – dU/T ≥0
Jednadžba se može preurediti kako bi se dobila sljedeća jednadžba.
TdS ≥dU (jednadžba 2), pa se stoga može napisati kao
dU – TdS ≤0
Gornji izraz može se pojednostaviti upotrebom izraza Helmholtz energija, A, koji se može definirati kao, A=U-TS
Iz gornjih jednadžbi, možemo izvesti kriterij za spontanu reakciju kao dA ≤0. To kaže da je promjena u sustavu pri konstantnoj temperaturi i volumenu spontana ako je dA ≤0. Dakle, promjena je spontana kada odgovara smanjenju Helmholtzove energije. Stoga se ovi sustavi kreću spontanom putanjom da bi dali nižu A vrijednost.
Gibbsova slobodna energija povezana je s promjenama koje se događaju pri konstantnom tlaku. Kada se toplinska energija prenosi pri konstantnom tlaku, postoji samo rad širenja; stoga modificiramo i pišemo jednadžbu 2 na sljedeći način.
TdS ≥dH
Ova se jednadžba može preurediti kako bi se dobila dH-TdS≤0. S izrazom Gibbsova slobodna energija, G, ova se jednadžba može napisati kao, G=H-TS
Kod konstantne temperature i tlaka, kemijske reakcije su spontane u smjeru smanjenja Gibbsove slobodne energije. Prema tome, dG ≤0
Što je standardna besplatna energija?
Standardna besplatna energija je besplatna energija definirana u standardnim uvjetima. Standardni uvjeti su temperatura, 298 K; tlak, 1 atm ili 101,3 kPa; a sve otopljene tvari u koncentraciji od 1 M. Standardna besplatna energija označena je kao Go.
Koja je razlika između besplatne energije i standardne besplatne energije?
• U kemiji se slobodna energija naziva Gibbsovom slobodnom energijom. Povezan je s promjenama koje se događaju pri stalnom pritisku. Standardna slobodna energija je slobodna energija definirana u standardnim uvjetima.
• Stoga se standardna besplatna energija daje pri temperaturi od 298K i tlaku od 1 atm, ali vrijednost slobodne energije može se mijenjati ovisno o temperaturi i tlaku.
