Gratis energie versus standaard gratis energie
Wat is vrije 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 is gerelateerd aan 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 gedegradeerd. 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 warm is, zorgt een beetje extra warmte niet voor 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 wordt gedaan, kunnen we de bovenstaande vergelijking (1) als volgt schrijven. Deze vergelijking drukt het criterium voor een spontane reactie uit alleen 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 afleiden voor een spontane reactie als dA ≤0. Dit stelt dat een verandering in een systeem bij constante temperatuur en volume spontaan is als dA ≤0. Dus verandering is spontaan wanneer het overeenkomt met een afname van de Helmholtz-energie. Daarom bewegen deze systemen in een spontaan pad om een lagere A-waarde te geven.
Gibbs vrije energie is gerelateerd aan de veranderingen die plaatsvinden onder constante druk. Wanneer warmte-energie wordt overgedragen bij constante druk, is er alleen expansiewerk; daarom wijzigen en schrijven we de 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 vrije energie is de vrije energie gedefinieerd onder standaardcondities. De standaardomstandigheden 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 scheikunde wordt vrije energie gerefereerd aan Gibbs vrije energie. Het hangt samen met de veranderingen die plaatsvinden onder constante druk. Standaard vrije energie is de vrije energie gedefinieerd onder standaardcondities.
• Daarom wordt standaard vrije energie gegeven bij 298K temperatuur en 1 atm druk, maar de vrije energiewaarde kan veranderen afhankelijk van de temperatuur en druk.
