Kostenlose Energie vs. Standardfreie Energie
Was ist freie Energie?
Die Menge an Arbeit, die ein thermodynamisches System verrichten kann, wird als freie Energie bezeichnet. Freie Energie kann mit zwei Begriffen beschrieben werden, Helmholtz-freie Energie und Gibbs-freie Energie. Wenn wir in der Chemie das Wort „freie Energie“verwenden, bedeutet das Gibbs freie Energie. In der Physik bezieht sich Freie Energie auf Helmholtz-freie Energie. Beide Begriffe werden unten beschrieben.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bezieht sich auf die Entropie und besagt: „Die Entropie des Universums nimmt in einem spontanen Prozess zu.“Die Entropie hängt mit der erzeugten Wärmemenge zusammen; das ist das Ausmaß, in dem Energie abgebaut wurde. Aber tatsächlich hängt die Menge an zusätzlicher Unordnung, die durch eine gegebene Wärmemenge q verursacht wird, von der Temperatur ab. Wenn es bereits sehr heiß ist, führt ein bisschen zusätzliche Wärme nicht zu viel mehr Unordnung, aber wenn die Temperatur sehr niedrig ist, wird die gleiche Wärmemenge eine dramatische Zunahme der Unordnung verursachen. Es ist daher angemessener zu schreiben, ds=dq/T
Um die Richtung der Veränderung zu analysieren, müssen wir Veränderungen sowohl im System als auch in der Umgebung berücksichtigen. Die folgende Clausius-Ungleichung zeigt, was passiert, wenn Wärmeenergie zwischen dem System und der Umgebung übertragen wird. (Angenommen, das System befindet sich im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung bei der Temperatur T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Wenn die Erwärmung bei konstantem Volumen erfolgt, können wir die obige Gleichung (1) wie folgt schreiben. Diese Gleichung drückt das Kriterium für eine spontane Reaktion nur in Form von Zustandsfunktionen aus.
dS – dU/T ≥0
Die Gleichung kann umgestellt werden, um die folgende Gleichung zu erh alten.
TdS ≥dU (Gleichung 2), und kann daher geschrieben werden als
dU – TdS ≤0
Der obige Ausdruck kann durch die Verwendung des Begriffs Helmholtz-Energie A vereinfacht werden, der wie folgt definiert werden kann:
A=U-TS
Aus den obigen Gleichungen können wir als dA ≤0 ein Kriterium für eine spontane Reaktion ableiten. Diese besagt, dass eine Änderung in einem System bei konstanter Temperatur und konstantem Volumen spontan ist, wenn dA ≤ 0 ist. Eine Änderung ist also spontan, wenn sie einer Abnahme der Helmholtz-Energie entspricht. Daher bewegen sich diese Systeme in einem spontanen Pfad, um einen niedrigeren A-Wert zu ergeben.
Gibbs freie Energie hängt mit den Veränderungen zusammen, die bei konstantem Druck stattfinden. Bei der Übertragung von Wärmeenergie bei konstantem Druck entsteht nur Expansionsarbeit; deshalb modifizieren und schreiben wir die Gleichung 2 wie folgt.
TdS ≥dH
Diese Gleichung kann umgestellt werden, um dH-TdS≤0 zu erh alten. Mit dem Term Gibbs freie Energie, G, kann diese Gleichung geschrieben werden als:
G=H-TS
Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck verlaufen chemische Reaktionen spontan in Richtung abnehmender freier Gibbs-Energie. Daher gilt dG ≤0
Was ist kostenlose Standardenergie?
Freie Standardenergie ist die unter Standardbedingungen definierte freie Energie. Die Standardbedingungen sind Temperatur, 298 K; Druck, 1 atm oder 101,3 kPa; und alle gelösten Stoffe bei einer Konzentration von 1 M. Freie Standardenergie wird als Go bezeichnet.
Was ist der Unterschied zwischen Freier Energie und Standardfreier Energie?
• In der Chemie wird freie Energie als freie Gibbs-Energie bezeichnet. Es hängt mit den Veränderungen zusammen, die unter konstantem Druck stattfinden. Die freie Standardenergie ist die unter Standardbedingungen definierte freie Energie.
• Daher ist die freie Standardenergie bei 298 K Temperatur und 1 atm Druck gegeben, aber der Wert der freien Energie kann sich je nach Temperatur und Druck ändern.
