Gratis energie versus standaard gratis energie
Wat is gratis energie?
De hoeveelheid werk die een thermodynamisch systeem kan uitvoeren, staat bekend als vrije energie. Vrije energie kan worden beschreven met twee termen, Helmholtz-vrije energie en Gibbs-vrije energie. Als we in de scheikunde het woord "vrije energie" gebruiken, betekent dat Gibbs-vrije energie. In de natuurkunde verwijst vrije energie naar Helmholtz-vrije energie. Beide termen worden hieronder beschreven.
De tweede wet van de thermodynamica houdt verband met entropie, en er staat: "de entropie van het universum neemt toe in een spontaan proces." Entropie is gerelateerd aan de hoeveelheid gegenereerde warmte; dat is de mate waarin energie is afgebroken. Maar in feite hangt de hoeveelheid extra wanorde die wordt veroorzaakt door een bepaalde hoeveelheid warmte q af van de temperatuur. Als het al erg heet is, veroorzaakt een beetje extra warmte niet veel meer wanorde, maar als de temperatuur erg laag is, zal dezelfde hoeveelheid warmte een dramatische toename van wanorde veroorzaken. Het is daarom beter om te schrijven:
ds = dq / T
Om de richting van verandering te analyseren, moeten we rekening houden met veranderingen in zowel het systeem als de omgeving. De volgende Clausius-ongelijkheid laat zien wat er gebeurt als warmte-energie wordt overgedragen tussen het systeem en de omgeving. (Bedenk dat het systeem in thermisch evenwicht is met de omgeving bij temperatuur T)
dS - dq / T ≥0. ………… (1)
Als de verwarming met constant volume gebeurt, kunnen we de bovenstaande vergelijking (1) als volgt schrijven. Deze vergelijking drukt het criterium voor een spontane reactie alleen uit in termen van toestandsfuncties.
dS - dU / T ≥0
De vergelijking kan worden herschikt om de volgende vergelijking te krijgen.
TdS ≥dU (vergelijking 2), en daarom kan het worden geschreven als
dU - TdS ≤0
De bovenstaande uitdrukking kan worden vereenvoudigd door het gebruik van de term Helmholtz-energie, A, die kan worden gedefinieerd als,
A = U-TS
Uit bovenstaande vergelijkingen kunnen we een criterium voor een spontane reactie afleiden als dA ≤0. Dit stelt dat een verandering in een systeem bij constante temperatuur en volume spontaan is als dA ≤0. Verandering is dus spontaan wanneer het overeenkomt met een afname van de Helmholtz-energie. Daarom bewegen deze systemen op een spontaan pad om een lagere A-waarde te geven.
Gibbs-vrije energie is gerelateerd aan de veranderingen die plaatsvinden bij constante druk. Wanneer warmte-energie onder constante druk wordt overgedragen, is er alleen expansiewerk; daarom wijzigen en schrijven we vergelijking 2 als volgt.
TdS ≥dH
Deze vergelijking kan worden herschikt om dH-TdS≤0 te geven. Met de term Gibbs-vrije energie, G, kan deze vergelijking worden geschreven als, G = H-TS
Bij constante temperatuur en druk zijn chemische reacties spontaan in de richting van afnemende Gibbs-vrije energie. Daarom dG ≤0
Wat is standaard gratis energie?
Standaard gratis energie is de gratis energie gedefinieerd onder standaardomstandigheden. De standaardcondities zijn temperatuur, 298 K; druk, 1 atm of 101,3 kPa; en alle opgeloste stoffen bij een concentratie van 1 M. Standaard gratis energie wordt aangeduid als Go.
Wat is het verschil tussen gratis energie en standaard gratis energie?
• In de chemie wordt vrije energie Gibbs-vrije energie genoemd. Het hangt samen met de veranderingen die plaatsvinden onder constante druk. Standaard gratis energie is de gratis energie gedefinieerd onder standaardomstandigheden.
• Daarom wordt standaard gratis energie gegeven bij 298K temperatuur en 1 atm druk, maar de vrije energiewaarde kan veranderen afhankelijk van de temperatuur en druk.
