הבדל מפתח – אנרגיה חופשית לעומת אנתלפיה
אנרגיה חופשית ואנטלפיה הם שני מונחים תרמודינמיים המשמשים להסבר הקשר בין אנרגיית חום לתגובות כימיות המתרחשות במערכת תרמודינמית. אנרגיה חופשית או אנרגיה חופשית תרמודינמית היא כמות העבודה שמערכת תרמודינמית יכולה לבצע. במילים אחרות, אנרגיה חופשית היא כמות האנרגיה הזמינה באותה מערכת תרמודינמית לביצוע עבודה תרמודינמית. אנתלפיה, לעומת זאת, היא כמות תרמודינמית המייצגת את תכולת האנרגיה הכוללת במערכת תרמודינמית. ההבדל העיקרי בין אנרגיה חופשית לאנטלפיה הוא שאנרגיה חופשית נותנת את האנרגיה הכוללת הזמינה לביצוע עבודה תרמודינמית ואילו אנטלפיה נותנת את האנרגיה הכוללת של מערכת תרמודינמית שניתן להמיר לחום.
מהי אנרגיה חופשית?
אנרגיה חופשית היא כמות האנרגיה הזמינה למערכת תרמודינמית לביצוע עבודה תרמודינמית. לאנרגיה חופשית יש ממדים של אנרגיה. הערך של האנרגיה החופשית של מערכת תרמודינמית נקבע על פי המצב הנוכחי של המערכת; לא לפי ההיסטוריה שלו. ישנם שני סוגים עיקריים של אנרגיה חופשית הנידונים לעתים קרובות בתרמודינמיקה; אנרגיה חופשית של הלמהולץ וגיבס אנרגיה חופשית.
Helmholtz Free Energy
האנרגיה החופשית של הלמהולץ היא האנרגיה הזמינה במערכת תרמודינמית סגורה לביצוע עבודה תרמודינמית בטמפרטורה ובנפח קבועים. לפיכך, הערך השלילי של אנרגיית הלמהולץ מציין את העבודה המקסימלית שמערכת תרמודינמית יכולה לבצע על ידי החזקת הנפח שלה קבוע. על מנת לשמור על נפח קבוע, חלק מהעבודה התרמודינמית הכוללת נעשית כעבודת גבול (כדי לשמור על גבול המערכת כפי שהוא). משוואת אנרגיית הלמהולץ ניתנת להלן.
A=U – TS
כאשר A היא האנרגיה החופשית של הלמהולץ, U היא האנרגיה הפנימית, T היא טמפרטורה, שהיא קבועה ו-S היא האנטרופיה של המערכת. אנטרופיה היא כמות תרמודינמית המייצגת את חוסר הזמינות של האנרגיה התרמית של מערכת להמרה לעבודה מכנית.
איור 01: הרמן פון הלמהולץ היה הראשון שהציע את הרעיון של אנרגיה חופשית של הלמהולץ
Gibbs Free Energy:
The Gibbs אנרגיה חופשית האנרגיה הזמינה במערכת תרמודינמית סגורה לביצוע עבודה תרמודינמית בטמפרטורה ולחץ קבועים. עוצמת הקול של המערכת יכולה להשתנות. אנרגיה חופשית מסומנת ב-G. משוואת האנרגיה החופשית של גיבס ניתנת להלן.
G=H – TS
במשוואה לעיל, G היא האנרגיה החופשית של גיבס, H היא האנטלפיה של המערכת, Y היא הטמפרטורה שהיא קבועה ו-S היא האנטרופיה של המערכת.
מהי אנתלפיה?
אנטלפיה של מערכת היא כמות תרמודינמית שווה ערך לתכולת החום הכוללת של מערכת. זה שווה לאנרגיה הפנימית של המערכת בתוספת מכפלת הלחץ והנפח. לכן, זוהי תכונה תרמודינמית של מערכת. משוואת האנטלפיה ניתנת להלן.
H=U + PV
בהתאם לכך, H היא האנטלפיה של המערכת, U היא האנרגיה הפנימית של המערכת, P היא הלחץ ו-V היא הנפח. האנטלפיה של מערכת היא האינדיקציה ליכולתה של אותה מערכת לשחרר חום (לעשות עבודה לא מכנית). האנטלפיה מסומנת בסמל H.
קביעת האנטלפיה של מערכת מאפשרת לנו לציין אם תגובה כימית היא אקסותרמית או אנדותרמית. השינוי באנתלפיה של מערכת יכול לשמש כדי לקבוע את חום התגובות וגם כדי לחזות אם תגובה כימית היא ספונטנית או לא ספונטנית.
מהו הקשר בין אנרגיה חופשית לאנתלפיה?
האנרגיה החופשית והאנטלפיה של הגיבס קשורות באמצעות המשוואה הבאה.
G=H – TS
במשוואה לעיל, G היא האנרגיה החופשית של גיבס, H היא האנטלפיה של המערכת, Y היא הטמפרטורה, שהיא קבועה ו-S היא האנטרופיה של המערכת. גם ל-G וגם ל-H יש אותן יחידות מדידה.
מה ההבדל בין אנרגיה חופשית לאנתלפיה?
Free Energy vs Enthalpy |
|
| אנרגיה חופשית היא כמות האנרגיה הזמינה עבור מערכת תרמודינמית לביצוע עבודה תרמודינמית. | אנטלפיה של מערכת היא כמות תרמודינמית שווה ערך לתכולת החום הכוללת של מערכת. |
| קונספט | |
| אנרגיה חופשית נותנת את האנרגיה הכוללת הזמינה לביצוע עבודה תרמודינמית. | אנטלפיה נותנת את האנרגיה הכוללת של מערכת שניתן להמיר לחום. |
| המרה | |
| אנרגיה חופשית נותנת את האנרגיה שניתן להמיר לעבודה מכנית של המערכת. | אנטלפיה נותנת את האנרגיה שניתן להמיר לעבודה לא מכנית של המערכת. |
סיכום – אנרגיה חופשית לעומת אנתלפיה
אנרגיה חופשית ואנטלפיה של מערכת תרמודינמית מייצגים אנרגיה הזמינה במערכת. ההבדל העיקרי בין אנרגיה חופשית לאנטלפיה הוא שאנרגיה חופשית נותנת את סך האנרגיה הזמינה לביצוע עבודה תרמודינמית ואילו אנטלפיה נותנת את האנרגיה הכוללת של מערכת שניתן להמיר לחום.
