Free Energy vs Standard Free Energy
Vad är gratis energi?
Mängden arbete som ett termodynamiskt system kan utföra kallas fri energi. Fri energi kan beskrivas med två termer, Helmholtz fri energi och Gibbs fri energi. I kemi, när vi använder ordet "fri energi", betyder det Gibbs fri energi. Inom fysiken hänvisar fri energi till Helmholtz fri energi. Båda termerna beskrivs nedan.
Termodynamikens andra lag är relaterad till entropi, och den säger, "universums entropi ökar i en spontan process." Entropi är relaterad till mängden värme som genereras; det är i vilken utsträckning energin har försämrats. Men i själva verket beror mängden extra störning som orsakas av en given mängd värme q på temperaturen. Om det redan är väldigt varmt skapar lite extra värme inte så mycket mer oordning, men om temperaturen är väldigt låg kommer samma mängd värme att orsaka en dramatisk ökning av oordningen. Det är därför lämpligare att skriva
ds=dq/T
För att analysera förändringens riktning måste vi överväga förändringar i både systemet och omgivningen. Följande Clausius-olikhet visar vad som händer när värmeenergi överförs mellan systemet och omgivningen. (Tänk på att systemet är i termisk jämvikt med omgivningen vid temperatur T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Om uppvärmningen sker med konstant volym kan vi skriva ovanstående ekvation (1) enligt följande. Denna ekvation uttrycker kriteriet för att en spontan reaktion ska äga rum endast i termer av tillståndsfunktioner.
dS – dU/T ≥0
Ekvationen kan arrangeras om för att få följande ekvation.
TdS ≥dU (Ekvation 2), och därför kan det skrivas som
dU – TdS ≤0
Uttrycket ovan kan förenklas genom att använda termen Helmholtz energi, A, som kan definieras som, A=U-TS
Från ovanstående ekvationer kan vi härleda ett kriterium för en spontan reaktion som dA ≤0. Detta anger att en förändring i ett system vid konstant temperatur och volym är spontan om dA ≤0. Så förändring är spontan när den motsvarar en minskning av Helmholtz-energin. Därför rör sig dessa system i en spontan väg för att ge lägre A-värde.
Gibbs fria energi är relaterad till förändringar som sker vid konstant tryck. När värmeenergi överförs vid konstant tryck sker endast expansionsarbete; därför ändrar vi och skriver ekvationen 2 enligt följande.
TdS ≥dH
Denna ekvation kan omarrangeras för att ge dH-TdS≤0. Med termen Gibbs fri energi, G, kan denna ekvation skrivas som
G=H-TS
Vid konstant temperatur och tryck är kemiska reaktioner spontana i riktning mot minskande Gibbs fria energi. Därför dG ≤0
Vad är standardfri energi?
Standard fri energi är den fria energin som definieras vid standardförhållanden. Standardförhållandena är temperatur, 298 K; tryck, 1 atm eller 101,3 kPa; och alla lösta ämnen vid 1 M koncentration. Standard gratis energi betecknas som Go.
Vad är skillnaden mellan gratis energi och standardfri energi?
• Inom kemi hänvisas fri energi till Gibbs fria energi. Det är relaterat till förändringar som sker vid konstant tryck. Standardfri energi är den fria energin som definieras vid standardförhållanden.
• Därför ges standardfri energi vid 298K temperatur och 1 atm tryck, men värdet för fri energi kan ändras beroende på temperatur och tryck.
