Free Energy vs Standard Free Energy
Hvad er gratis energi?
Mængden af arbejde, som et termodynamisk system kan udføre, er kendt som fri energi. Fri energi kan beskrives ved hjælp af to udtryk, Helmholtz fri energi og Gibbs fri energi. I kemi, når vi bruger ordet "fri energi", betyder det Gibbs fri energi. I fysik refererer fri energi til Helmholtz fri energi. Begge udtryk er beskrevet nedenfor.
Termodynamikkens anden lov er relateret til entropi, og den siger, "universets entropi øges i en spontan proces." Entropi er relateret til mængden af genereret varme; det er i hvor høj grad energi er blevet forringet. Men faktisk afhænger mængden af ekstra uorden forårsaget af en given mængde varme q af temperaturen. Hvis det i forvejen er meget varmt, skaber lidt ekstra varme ikke meget mere uorden, men hvis temperaturen er meget lav, vil den samme varmemængde medføre en dramatisk stigning i uorden. Det er derfor mere passende at skrive
ds=dq/T
For at analysere ændringernes retning, er vi nødt til at overveje ændringer i både system og omgivelser. Den følgende Clausius-ulighed viser, hvad der sker, når varmeenergi overføres mellem systemet og omgivelserne. (Tænk på, at systemet er i termisk ligevægt med omgivelserne ved temperatur T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Hvis opvarmningen sker ved konstant volumen, kan vi skrive ovenstående ligning (1) som følger. Denne ligning udtrykker kriteriet for, at en spontan reaktion kun finder sted i form af tilstandsfunktioner.
dS – dU/T ≥0
Ligningen kan omarrangeres for at få følgende ligning.
TdS ≥dU (ligning 2), og derfor kan det skrives som
dU – TdS ≤0
Ovenstående udtryk kan forenkles ved at bruge termen Helmholtz energi, A, som kan defineres som, A=U-TS
Ud fra ovenstående ligninger kan vi udlede et kriterium for en spontan reaktion som dA ≤0. Dette angiver, at en ændring i et system ved konstant temperatur og volumen er spontan, hvis dA ≤0. Så forandring er spontan, når den svarer til et fald i Helmholtz-energien. Derfor bevæger disse systemer sig i en spontan bane for at give lavere A-værdi.
Gibbs frie energi er relateret til ændringerne, der sker ved konstant tryk. Når varmeenergi overføres ved konstant tryk, er der kun udvidelsesarbejde; derfor modificerer og skriver vi ligningen 2 som følger.
TdS ≥dH
Denne ligning kan omarrangeres for at give dH-TdS≤0. Med udtrykket Gibbs fri energi, G, kan denne ligning skrives som
G=H-TS
Ved konstant temperatur og tryk er kemiske reaktioner spontane i retning af faldende Gibbs frie energi. Derfor er dG ≤0
Hvad er Standard Free Energy?
Standard fri energi er den frie energi, der er defineret under standardbetingelser. Standardbetingelserne er temperatur, 298 K; tryk, 1 atm eller 101,3 kPa; og alle opløste stoffer ved 1 M koncentration. Standard gratis energi betegnes som Go.
Hvad er forskellen mellem fri energi og standardfri energi?
• I kemi omtales fri energi til Gibbs frie energi. Det hænger sammen med de ændringer, der sker ved konstant tryk. Gratis standardenergi er den frie energi, der er defineret ved standardbetingelser.
• Derfor gives standard fri energi ved 298K temperatur og 1 atm tryk, men den frie energiværdi kan ændre sig afhængigt af temperatur og tryk.
