Volná energie vs. Standardní bezplatná energie
Co je volná energie?
Množství práce, kterou může termodynamický systém vykonat, se nazývá volná energie. Volná energie může být popsána pomocí dvou termínů, Helmholtzova volná energie a Gibbsova volná energie. Když v chemii používáme slovo „volná energie“, znamená to Gibbsovu volnou energii. Ve fyzice se volná energie vztahuje k Helmholtzově volné energii. Oba pojmy jsou popsány níže.
Druhý termodynamický zákon souvisí s entropií a říká: „entropie vesmíru roste spontánním procesem“. Entropie souvisí s množstvím generovaného tepla; to je rozsah, ve kterém byla energie degradována. Ale ve skutečnosti množství neuspořádanosti navíc způsobené daným množstvím tepla q závisí na teplotě. Pokud je již velmi horko, trocha tepla navíc nevytváří mnohem větší nepořádek, ale pokud je teplota velmi nízká, stejné množství tepla způsobí dramatický nárůst nepořádku. Je proto vhodnější napsat, ds=dq/T
Abychom analyzovali směr změny, musíme vzít v úvahu změny v systému i okolí. Následující Clausiova nerovnost ukazuje, co se stane při přenosu tepelné energie mezi systémem a okolím. (Uvažujme, že systém je v tepelné rovnováze s okolím při teplotě T)
dS – dq/T ≥0 …………(1)
Pokud se zahřívání provádí při konstantním objemu, můžeme výše uvedenou rovnici (1) zapsat následovně. Tato rovnice vyjadřuje kritérium pro spontánní reakci, která má proběhnout pouze z hlediska stavových funkcí.
dS – dU/T ≥0
Rovnici lze přeskupit tak, aby získala následující rovnici.
TdS ≥dU (Rovnice 2), a proto ji lze zapsat jako
dU – TdS ≤0
Výše uvedený výraz lze zjednodušit použitím termínu Helmholtzova energie, A, který lze definovat jako, A=U-TS
Z výše uvedených rovnic můžeme odvodit kritérium pro spontánní reakci jako dA ≤0. To říká, že změna v systému při konstantní teplotě a objemu je spontánní, pokud dA ≤0. Změna je tedy spontánní, když odpovídá poklesu Helmholtzovy energie. Proto se tyto systémy pohybují spontánně a poskytují nižší hodnotu A.
Gibbsova volná energie souvisí se změnami, ke kterým dochází při konstantním tlaku. Při přenosu tepelné energie při konstantním tlaku dochází pouze k expanzní práci; proto upravíme a zapíšeme rovnici 2 následovně.
TdS ≥dH
Tuto rovnici lze přeskupit tak, aby poskytla dH-TdS≤0. S pojmem Gibbsova volná energie, G, lze tuto rovnici zapsat jako, G=H-TS
Při konstantní teplotě a tlaku probíhají chemické reakce spontánně ve směru klesající Gibbsovy volné energie. Proto dG ≤0
Co je standardní bezplatná energie?
Standardní volná energie je volná energie definovaná za standardních podmínek. Standardní podmínky jsou teplota, 298 K; tlak 1 atm nebo 101,3 kPa; a všechny rozpuštěné látky v 1M koncentraci. Standardní volná energie je označena jako Go.
Jaký je rozdíl mezi volnou energií a standardní volnou energií?
• V chemii se volná energie označuje jako Gibbsova volná energie. Souvisí se změnami, ke kterým dochází při konstantním tlaku. Standardní volná energie je volná energie definovaná za standardních podmínek.
• Standardní volná energie je tedy dána při teplotě 298 K a tlaku 1 atm, ale hodnota volné energie se může měnit v závislosti na teplotě a tlaku.
