انرژی رایگان در مقابل انرژی رایگان استاندارد
انرژی رایگان چیست؟
مقدار کاری که یک سیستم ترمودینامیکی می تواند انجام دهد به عنوان انرژی آزاد شناخته می شود. انرژی آزاد را می توان با استفاده از دو عبارت انرژی آزاد هلمهولتز و انرژی آزاد گیبس توصیف کرد. در شیمی، وقتی از کلمه "انرژی آزاد" استفاده می کنیم به معنای انرژی آزاد گیبس است. در فیزیک، انرژی آزاد به انرژی آزاد هلمهولتز اشاره دارد. هر دو اصطلاح در زیر توضیح داده شده است.
قانون دوم ترمودینامیک مربوط به آنتروپی است و می گوید: "آنتروپی جهان در یک فرآیند خود به خود افزایش می یابد." آنتروپی به مقدار گرمای تولید شده مربوط می شود. این میزانی است که انرژی کاهش یافته است.اما، در واقع، میزان اختلال اضافی ناشی از مقدار معین گرما q به دما بستگی دارد. اگر از قبل خیلی گرم است، کمی گرمای اضافی بی نظمی بیشتری ایجاد نمی کند، اما اگر دما بسیار پایین باشد، همین مقدار گرما باعث افزایش چشمگیر بی نظمی می شود. بنابراین، نوشتنمناسب تر است
ds=dq/T
برای تجزیه و تحلیل جهت تغییر، باید تغییرات را هم در سیستم و هم در محیط اطراف در نظر بگیریم. نابرابری Clausius زیر نشان می دهد که وقتی انرژی گرمایی بین سیستم و محیط اطراف منتقل می شود چه اتفاقی می افتد. (در نظر بگیرید که سیستم در دمای T با محیط اطراف در تعادل حرارتی است)
dS – dq/T ≥0.……………(۱)
اگر گرمایش با حجم ثابت انجام شود، می توانیم معادله (1) فوق را به صورت زیر بنویسیم. این معادله معیاری را برای انجام یک واکنش خود به خودی تنها بر حسب توابع حالت بیان می کند.
dS – dU/T ≥0
معادله را می توان برای به دست آوردن معادله زیر دوباره مرتب کرد.
TdS ≥dU (معادله 2)، و بنابراین، می توان آن را به عنواننوشت
dU – TdS ≤0
عبارت فوق را می توان با استفاده از اصطلاح انرژی هلمهولتز، A، که می تواند به صورتتعریف شود، ساده تر شود.
A=U-TS
از معادلات بالا، می توانیم معیاری برای واکنش خود به خودی به صورت dA ≤0 بدست آوریم. این بیان می کند که، تغییر در یک سیستم در دما و حجم ثابت خود به خود است اگر dA ≤0 باشد. بنابراین تغییر زمانی خود به خود است که با کاهش انرژی هلمهولتز مطابقت داشته باشد. بنابراین، این سیستم ها در یک مسیر خود به خود حرکت می کنند تا مقدار A کمتری را به دست آورند.
انرژی آزاد گیبس با تغییراتی که در فشار ثابت اتفاق می افتد مرتبط است. هنگامی که انرژی گرمایی با فشار ثابت منتقل می شود، فقط کار انبساط وجود دارد. بنابراین، معادله 2 را به صورت زیر تغییر داده و می نویسیم.
TdS ≥dH
این معادله را می توان برای بدست آوردن dH-TdS≤0 مجدداً مرتب کرد. با عبارت انرژی آزاد گیبس، G، این معادله را می توان به صورتنوشت.
G=H-TS
در دما و فشار ثابت، واکنش های شیمیایی خود به خود در جهت کاهش انرژی آزاد گیبس انجام می شود. بنابراین، dG ≤0
انرژی رایگان استاندارد چیست؟
انرژی آزاد استاندارد انرژی آزاد تعریف شده در شرایط استاندارد است. شرایط استاندارد دما، 298 K; فشار، 1 اتمسفر یا 101.3 کیلو پاسکال؛ و تمام املاح در غلظت 1 M. انرژی رایگان استاندارد به عنوان Go نشان داده می شود.
تفاوت بین انرژی آزاد و انرژی آزاد استاندارد چیست؟
• در شیمی انرژی آزاد به انرژی آزاد گیبس گفته می شود. این مربوط به تغییراتی است که در فشار ثابت اتفاق می افتد. انرژی آزاد استاندارد، انرژی آزاد تعریف شده در شرایط استاندارد است.
• بنابراین، انرژی آزاد استاندارد در دمای 298K و فشار 1 atm داده می شود، اما مقدار انرژی آزاد بسته به دما و فشار می تواند تغییر کند.
