אנרגיה חינם לעומת אנרגיה חופשית רגילה
מהי אנרגיה בחינם?
כמות העבודה שמערכת תרמודינמית יכולה לבצע ידועה כאנרגיה חופשית. ניתן לתאר אנרגיה חופשית באמצעות שני מונחים, אנרגיה חופשית של הלמהולץ ואנרגיה חופשית של גיבס. בכימיה, כאשר אנו משתמשים במילה "אנרגיה חופשית" המשמעות היא אנרגיה חופשית של גיבס. בפיזיקה, אנרגיה חופשית מתייחסת לאנרגיה חופשית של הלמהולץ. שני המונחים מתוארים להלן.
החוק השני של התרמודינמיקה קשור לאנטרופיה, והוא אומר, "האנטרופיה של היקום גדלה בתהליך ספונטני." אנטרופיה קשורה לכמות החום שנוצרת; זו המידה שבה ירדה האנרגיה.אבל, למעשה, כמות ההפרעה הנוספת הנגרמת על ידי כמות נתונה של חום q תלויה בטמפרטורה. אם כבר חם מאוד, מעט חום נוסף לא יוצר הרבה יותר אי סדר, אבל אם הטמפרטורה נמוכה מאוד, אותה כמות חום תגרום לעלייה דרמטית באי סדר. לכן נכון יותר לכתוב, ds=dq/T
כדי לנתח את כיוון השינוי, עלינו לשקול שינויים הן במערכת והן בסביבה. אי השוויון הקלאוזיוס הבא מראה מה קורה כאשר אנרגיית חום מועברת בין המערכת לסביבה. (קחו בחשבון שהמערכת נמצאת בשיווי משקל תרמי עם הסביבה בטמפרטורה T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
אם החימום נעשה בנפח קבוע, נוכל לכתוב את המשוואה לעיל (1) באופן הבא. משוואה זו מבטאת את הקריטריון לתגובה ספונטנית שתתרחש במונחים של פונקציות מצב בלבד.
dS – dU/T ≥0
ניתן לארגן מחדש את המשוואה כדי לקבל את המשוואה הבאה.
TdS ≥dU (משוואה 2), ולכן ניתן לכתוב אותו כ-
dU – TdS ≤0
ניתן לפשט את הביטוי שלעיל על ידי שימוש במונח Helmholtz energy, A, שניתן להגדיר כ-
A=U-TS
מהמשוואות לעיל, נוכל לגזור קריטריון לתגובה ספונטנית כ-dA ≤0. זה קובע ששינוי במערכת בטמפרטורה ובנפח קבועים הוא ספונטני אם dA ≤0. אז השינוי הוא ספונטני כאשר הוא תואם לירידה באנרגיית הלמהולץ. לכן, מערכות אלו נעות בנתיב ספונטני, כדי לתת ערך A נמוך יותר.
האנרגיה החופשית של גיבס קשורה לשינויים המתרחשים בלחץ קבוע. כאשר אנרגיית חום מועברת בלחץ קבוע, יש רק עבודת הרחבה; לכן, אנו משנים וכותבים את המשוואה 2 כדלקמן.
TdS ≥dH
ניתן לארגן מחדש את המשוואה הזו כדי לתת dH-TdS≤0. עם המונח אנרגיה חופשית של גיבס, G, ניתן לכתוב את המשוואה הזו כ-
G=H-TS
בטמפרטורה ולחץ קבועים, תגובות כימיות הן ספונטניות בכיוון של ירידה באנרגיה החופשית של גיבס. לכן, dG ≤0
מהי אנרגיה חופשית סטנדרטית?
אנרגיה חופשית רגילה היא האנרגיה החופשית המוגדרת בתנאים סטנדרטיים. התנאים הסטנדרטיים הם טמפרטורה, 298 K; לחץ, 1 atm או 101.3 kPa; וכל המומסים בריכוז של 1 M. אנרגיה חופשית רגילה מסומנת כ- Go.
מה ההבדל בין אנרגיה חופשית לאנרגיה חופשית רגילה?
• בכימיה, אנרגיה חופשית מכונה אנרגיה חופשית של גיבס. זה קשור לשינויים המתרחשים בלחץ מתמיד. אנרגיה חופשית רגילה היא האנרגיה החופשית המוגדרת בתנאים סטנדרטיים.
• לכן, אנרגיה חופשית סטנדרטית ניתנת בטמפרטורה של 298K ולחץ של 1 atm, אך ערך האנרגיה החופשית יכול להשתנות בהתאם לטמפרטורה וללחץ.
