Besplatna energija u odnosu na standardnu besplatnu energiju
Šta je besplatna energija?
Količina rada koju termodinamički sistem može izvršiti poznata je kao slobodna energija. Slobodna energija se može opisati korištenjem dva termina, Helmholtzove slobodne energije i Gibbsove slobodne energije. U hemiji, kada koristimo riječ “slobodna energija” to znači Gibbsova slobodna energija. U fizici, slobodna energija se odnosi na Helmholtzovu slobodnu energiju. Oba termina su opisana u nastavku.
Drugi zakon termodinamike povezan je sa entropijom, i kaže: "entropija univerzuma se povećava u spontanom procesu." Entropija je povezana sa količinom proizvedene toplote; to je stepen do kojeg je energija degradirana. Ali, u stvari, količina dodatnog poremećaja uzrokovanog datom količinom topline q ovisi o temperaturi. Ako je već jako vruće, malo dodatne topline ne stvara mnogo veći poremećaj, ali ako je temperatura vrlo niska, ista količina topline će uzrokovati dramatičan porast poremećaja. Stoga je prikladnije napisati
ds=dq/T
Da bismo analizirali smjer promjene, moramo razmotriti promjene i u sistemu i u okruženju. Sledeća Clausiusova nejednakost pokazuje šta se dešava kada se toplotna energija prenosi između sistema i okoline. (Uzmite u obzir da je sistem u termalnoj ravnoteži sa okolinom na temperaturi T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Ako se zagrijavanje vrši pri konstantnoj zapremini, gornju jednačinu (1) možemo napisati na sljedeći način. Ova jednadžba izražava kriterij za spontanu reakciju samo u smislu funkcija stanja.
dS – dU/T ≥0
Jednačina se može preurediti kako bi se dobila sljedeća jednačina.
TdS ≥dU (jednačina 2), pa se stoga može napisati kao
dU – TdS ≤0
Navedeni izraz može se pojednostaviti upotrebom termina Helmholtzova energija, A, koji se može definirati kao, A=U-TS
Iz gornjih jednačina možemo izvesti kriterijum za spontanu reakciju kao dA ≤0. Ovo navodi da je promjena u sistemu pri konstantnoj temperaturi i zapremini spontana ako je dA ≤0. Dakle, promjena je spontana kada odgovara smanjenju Helmholtzove energije. Stoga se ovi sistemi kreću spontanim putem, da bi dali nižu A vrijednost.
Gibbsova slobodna energija je povezana sa promjenama koje se dešavaju pri konstantnom pritisku. Kada se toplotna energija prenosi pod konstantnim pritiskom, postoji samo rad ekspanzije; stoga, modificiramo i zapišemo jednačinu 2 na sljedeći način.
TdS ≥dH
Ova jednačina se može preurediti da dobije dH-TdS≤0. Sa terminom Gibbsova slobodna energija, G, ova jednačina se može napisati kao, G=H-TS
Pri konstantnoj temperaturi i pritisku, hemijske reakcije su spontane u pravcu smanjenja Gibbsove slobodne energije. Dakle, dG ≤0
Šta je standardna besplatna energija?
Standardna besplatna energija je slobodna energija definisana u standardnim uslovima. Standardni uslovi su temperatura, 298 K; pritisak, 1 atm ili 101,3 kPa; i sve otopljene tvari u koncentraciji od 1 M. Standardna besplatna energija je označena kao Go.
Koja je razlika između besplatne energije i standardne besplatne energije?
• U hemiji, slobodna energija se odnosi na Gibbsovu slobodnu energiju. Povezan je sa promenama koje se dešavaju pri stalnom pritisku. Standardna slobodna energija je slobodna energija definisana standardnim uslovima.
• Stoga se standardna besplatna energija daje na temperaturi od 298K i pritisku od 1 atm, ali vrijednost slobodne energije može se mijenjati u zavisnosti od temperature i pritiska.
