الطاقة الحرة مقابل الطاقة الحرة القياسية

ما هي الطاقة المجانية؟

يُعرف مقدار العمل الذي يمكن أن يؤديه النظام الديناميكي الحراري باسم الطاقة المجانية. يمكن وصف الطاقة المجانية باستخدام فترتين ، الطاقة المجانية Helmholtz والطاقة المجانية Gibbs. في الكيمياء ، عندما نستخدم كلمة "طاقة حرة" تعني طاقة جيبس ​​الحرة. في الفيزياء ، تشير الطاقة الحرة إلى طاقة هيلمهولتز الحرة. كلا المصطلحين موصوفان أدناه.

يرتبط القانون الثاني للديناميكا الحرارية بالإنتروبيا ، ويقول: "إن الكون يزيد في عملية تلقائية." يرتبط الانتروبيا بكمية الحرارة المتولدة. هذا هو مدى تدهور الطاقة. ولكن ، في الواقع ، تعتمد كمية الاضطرابات الإضافية الناتجة عن كمية معينة من الحرارة q على درجة الحرارة. إذا كان الجو حارًا بالفعل ، فقليلًا من الحرارة الزائدة لا يسبب اضطرابًا أكبر بكثير ، ولكن إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا ، فإن نفس كمية الحرارة ستتسبب في زيادة هائلة في الاضطراب. لذلك ، من الأنسب أن تكتب ،

س = DQ / T

لتحليل اتجاه التغيير ، يتعين علينا النظر في التغييرات في كل من النظام والمناطق المحيطة به. يظهر عدم المساواة في Clausius التالي ما يحدث عند نقل الطاقة الحرارية بين النظام والمناطق المحيطة. (ضع في اعتبارك أن النظام في حالة توازن حراري مع المحيط عند درجة حرارة T)

dS - dq / T ≥0. ............. (1)

إذا تم التسخين بحجم ثابت ، فيمكننا كتابة المعادلة أعلاه (1) على النحو التالي. تعبر هذه المعادلة عن معيار رد الفعل التلقائي الذي يحدث من حيث وظائف الحالة فقط.

dS - dU / T ≥0

يمكن إعادة ترتيب المعادلة للحصول على المعادلة التالية.

TdS ≥dU (المعادلة 2) ، وبالتالي ، يمكن كتابتها كـ

dU - TdS ≤0

يمكن تبسيط التعبير أعلاه من خلال استخدام مصطلح Helmholtz energy، A ، والذي يمكن تعريفه على أنه ،

A = TS

من المعادلات المذكورة أعلاه ، يمكننا استنباط معيار للتفاعل التلقائي مثل dA ≤0. هذا ينص على أن أي تغيير في نظام عند درجة حرارة ثابتة وحجم ثابت تلقائيًا إذا كان dA ≤0. لذا فإن التغيير يكون تلقائيًا عندما يتوافق مع انخفاض طاقة هلمهولتز. لذلك ، تتحرك هذه الأنظمة في مسار تلقائي ، لإعطاء قيمة أقل.

يرتبط طاقة Gibbs المجانية بالتغيرات التي تحدث عند الضغط المستمر. عندما يتم نقل الطاقة الحرارية تحت ضغط ثابت ، لا يوجد سوى أعمال تمدد ؛ لذلك ، نقوم بتعديل وكتابة المعادلة 2 على النحو التالي.

TdS ≥dH

يمكن إعادة ترتيب هذه المعادلة لإعطاء dH-TdS≤0. باستخدام مصطلح Gibbs free energy ، G ، يمكن كتابة هذه المعادلة كـ ،

G = H-TS

عند درجة حرارة ثابتة وضغط ، تكون التفاعلات الكيميائية عفوية في اتجاه تقليل الطاقة الخالية من جيبس. لذلك ، dG ≤0

ما هي الطاقة القياسية المجانية؟

الطاقة الحرة القياسية هي الطاقة المجانية المحددة في الظروف القياسية. الشروط القياسية هي درجة الحرارة ، 298 ك. الضغط ، 1 أجهزة الصراف الآلي أو 101.3 كيلو باسكال. وجميع المواد المذابة بتركيز 1 متر. يشار إلى الطاقة الحرة القياسية باسم Go.