الطاقة الحرة مقابل الطاقة الحرة القياسية
ما هي الطاقة المجانية؟
يُعرف مقدار العمل الذي يمكن أن يؤديه النظام الديناميكي الحراري بالطاقة الحرة. يمكن وصف الطاقة الحرة باستخدام مصطلحين ، الطاقة الحرة Helmholtz والطاقة الحرة Gibbs. في الكيمياء ، عندما نستخدم كلمة "طاقة حرة" فهذا يعني طاقة جيبس الحرة. في الفيزياء ، تشير الطاقة الحرة إلى طاقة هيلمهولتز الحرة. كلا المصطلحين موصوفان أدناه.
يرتبط القانون الثاني للديناميكا الحرارية بالانتروبيا ، وهو يقول ، "تزداد إنتروبيا الكون في عملية عفوية." يرتبط الانتروبيا بكمية الحرارة المتولدة ؛ هذا هو مدى تدهور الطاقة.ولكن ، في الواقع ، فإن مقدار الاضطراب الإضافي الناجم عن مقدار معين من الحرارة q يعتمد على درجة الحرارة. إذا كان الجو حارًا جدًا بالفعل ، فإن القليل من الحرارة الزائدة لا يؤدي إلى مزيد من الاضطراب ، ولكن إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا ، فإن نفس كمية الحرارة ستؤدي إلى زيادة كبيرة في الفوضى. لذلك ، من الأنسب كتابة
دس=دق / تي
لتحليل اتجاه التغيير ، علينا النظر في التغييرات في كل من النظام والمناطق المحيطة به. توضح عدم المساواة التالية Clausius ما يحدث عند نقل الطاقة الحرارية بين النظام والمنطقة المحيطة به. (ضع في الاعتبار 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 العفوي 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 باستخدام مصطلح Helmholtz energy ، A ، والذي يمكن تعريفه على أنه
A=U-TS
من المعادلات أعلاه ، يمكننا اشتقاق معيار للتفاعل العفوي مثل dA ≤0. ينص هذا على أن التغيير في نظام عند درجة حرارة وحجم ثابتين يكون تلقائيًا إذا كانت dA ≤0. لذا فإن التغيير يكون عفويًا عندما يتناسب مع انخفاض في طاقة هيلمهولتز. لذلك ، تتحرك هذه الأنظمة في مسار تلقائي ، لإعطاء قيمة A أقل.
ترتبط طاقة جيبس الحرة بالتغيرات التي تحدث عند الضغط المستمر. عندما يتم نقل الطاقة الحرارية بضغط ثابت ، لا يوجد سوى عمل 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 على النحو التالي
G=H-TS
عند درجة حرارة وضغط ثابتين ، تكون التفاعلات الكيميائية تلقائية في اتجاه تقليل طاقة جيبس الحرة. لذلك ، dG ≤0
ما هي الطاقة الحرة القياسية؟
الطاقة الحرة القياسية هي الطاقة الحرة المحددة في الظروف القياسية. الشروط القياسية هي درجة الحرارة 298 كلفن. الضغط ، 1 atm أو 101.3 كيلو باسكال ؛ وجميع المواد المذابة بتركيز 1 م. يشار إلى الطاقة الحرة القياسية على أنها Go.
ما هو الفرق بين الطاقة الحرة والطاقة الحرة القياسية؟
• في الكيمياء ، يشار إلى الطاقة الحرة بالطاقة الحرة جيبس. إنه مرتبط بالتغييرات التي تحدث عند الضغط المستمر. الطاقة الحرة القياسية هي الطاقة الحرة المحددة في الظروف القياسية.
• لذلك ، تُعطى الطاقة المجانية القياسية عند درجة حرارة 298 كلفن وضغط 1 ضغط جوي ، ولكن يمكن أن تتغير قيمة الطاقة المجانية اعتمادًا على درجة الحرارة والضغط.
