Volná energie

Volná energie, v termodynamice, energetická vlastnost nebo stavová funkce systému v termodynamické rovnováze. Volná energie má rozměry energie a její hodnota je určena stavem systému a nikoli jeho historií. Volná energie se používá k určení toho, jak se systémy mění a kolik práce mohou produkovat. Vyjadřuje se ve dvou formách: Helmholtzova volná energie F, někdy nazývaná pracovní funkce, a Gibbsova volná energie G. Pokud U je vnitřní energie soustavy, PV tlak-objem produktu, a TS teplota-entropie produktu (T je teplota nad absolutní nulou), pak F = U − TS G = U + PV − TS. Druhá rovnice může být také zapsána ve tvaru G = H-TS, kde H = U + PV je entalpie. Volná energie je rozsáhlá vlastnost, což znamená, že její velikost závisí na množství látky v daném termodynamickém stavu.

změny volné energie, ΔF nebo ΔG, jsou užitečné při určování směru spontánní změna a hodnocení maximální práce, kterou lze získat z termodynamické procesy zahrnující chemické nebo jiné typy reakcí. V reverzibilní proces maximální užitečné práci, kterou lze získat ze systému za konstantní teploty a konstantního objemu je rovna (negativní) změnu v Helmholtzova volná energie, −ΔF = −ΔU + TΔS, a maximální užitečné práce za konstantní teploty a konstantního tlaku (jiných než práce proti atmosféře) je rovna (negativní) změna Gibbsova volná energie, −ΔG = −ΔH + TΔS. V každém případě, entropie TΔS termín představuje teplo absorbované systémem z tepelného zásobníku při teplotě T za podmínek, kdy systém udělá maximum práce. Při zachování energie zahrnuje celková vykonaná práce také pokles vnitřní energie U nebo entalpie H. Například, energie pro maximální elektrický práci na baterie, jak to vypouštění přijde jak z poklesu jeho vnitřní energie v důsledku chemické reakce, a z tepla TΔS absorbuje v zájmu zachování konstantní teploty, což je ideální maximální teplo, které může být absorbováno. U jakékoli skutečné baterie by elektrická práce byla menší než maximální práce a absorbované teplo by bylo odpovídajícím způsobem menší než TΔS.

změny volné energie lze použít k posouzení, zda se změny stavu mohou objevit spontánně. Za konstantní teploty a objemu, transformace se bude dít spontánně, buď pomalu, nebo rychle, pokud Helmholtzova volná energie je menší, v konečném stavu, než v počátečním stavu—to znamená, že pokud rozdíl ΔF mezi konečném stavu a počáteční stav je negativní. Při konstantní teplotě a tlaku dojde k transformaci stavu spontánně, pokud je změna Gibbsovy volné energie ΔG negativní.

fázové přechody poskytují poučné příklady, jako když se led roztaví za vzniku vody při 0,01 °C (T = 273,16 K), s pevnou a kapalnou fází v rovnováze. Pak ΔH = 79.71 kalorií na gram, je latentní teplo tání, a podle definice ΔS = ΔH/T = 0.292 kalorií na gram∙Kis entropie změnit. Z toho vyplývá, že okamžitě ΔG = ΔH − TΔS je nula, což naznačuje, že obě fáze jsou v rovnováze a že žádná užitečná práce může být extrahována z fázového přechodu (jiné než pracovat proti atmosféře v důsledku změny tlaku a objemu). Kromě toho, ΔG je negativní pro T > 273.16 K, což naznačuje, že směr spontánní změna je z ledu do vody, a ΔG je pozitivní pro T < 273.16 K, kdy reverzní reakce tuhnutí probíhá.

získejte předplatné Britannica Premium a získejte přístup k exkluzivnímu obsahu. Přihlásit se nyní

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *