Vrije energie
Van Wikipedia
De vrije energie van een systeem is in de thermodynamica de grootheid die bij constante temperatuur naar een minimum streeft.
Inhoud |
[bewerk] Helmholtz en Gibbs
Er zijn twee versies van de vrije energie, die van Helmholtz en die van Gibbs. De eerste heeft als natuurlijke variabelen V en T, de tweede P en T. Omdat het veel eenvoudiger is om de druk P constant te houden dan het volume V is de Gibbs vrije energie veel meer in practisch gebruik.
[bewerk] Helmholtz vrije energie
In de formulering van Helmholtz:
ook wel: 
Hierin is A of F de Helmholtz vrije energie, U de energie, en S de entropie van het systeem, en T de absolute temperatuur.
Deze functie heet soms de Helmholtz energie, dan weer de Helmholtz vrije energie en soms ook kortweg de vrije energie
Deze toestandsfunctie is dalend of constant bij constant volume. Een verschil ΔA voor een proces geeft aan de maximale hoeveelheid arbeid die het proces kan leveren onder reversibele omstandigheden. Deze arbeid kan voor een deel volumearbeid zijn.
[bewerk] Gibbs vrije energie
In de formulering van Gibbs:
Hierin is G de Gibbs vrije energie, H de enthalpie, en S de entropie van het systeem, en T de absolute temperatuur.
Deze functie heet soms de Gibbs energie, dan weer de Gibbs vrije energie en soms ook de vrije enthalpie
Deze toestandsfunctie is dalend of constant bij constante druk. Een verschil ΔG voor een proces geeft aan de maximale hoeveelheid andere arbeid (dan volumearbeid) die het proces kan leveren onder reversibele omstandigheden.
Het gevolg van de temperatuur bijdrage in G=H-TS is dat bij hogere temperaturen een systeem in evenwicht een sterkere voorkeur zal hebben voor wanorde (S groter te maken). Dit komt tot uitdrukking in vele fysische processen om ons heen. Een voorbeeld is het bestaan van een smelttemperatuur voor een vaste stof. Voor het smelten van de stof is een hoeveelheid energie nodig; H wordt groter. Maar ook de wanorde neemt bij het smelten toe, er is een positieve verandering van S. Op een bepaalde kritische temperatuur (T = Ts) geldt dat ΔH = TsΔS, oftewel smelten kan zonder dat de vrije energie van het systeem verandert. Deze temperatuur is de smelttemperatuur van de stof: boven de smelttemperatuur is de vrije energie van de vloeistof lager dan de vrije energie van de vaste stof (dat heeft als gevolg dat de stof de voorkeur geeft aan de vloeibare fase), en onder de smelttemperatuur is de vrije energie van de vaste stof lager dan die van de vloeistof (dus is er een thermodynamische voorkeur voor de vaste fase).
Net zoals bij enthalpie en entropie worden waarden van de Gibbs vrije energie vaak in tabelvorm weergegeven. Men vermeldt dan meestal het verschil in de standaard Gibbs vrije energie voor een bepaald proces: ΔprocesGo.
Voor het subscript proces zijn verschillende tekens gebruikelijk:
- r = reactie
- c = (totale) verbranding (combustion)
- f = vorming uit de elementen
- vap = verdamping
- fus = smelten
De superscript plimsol o geeft aan dat de waarde betrekking heeft op een standaard aftelpunt
[bewerk] Geschiedenis
Voordat de formulering van de tweede wet van de thermodynamica een feit was werd er vanuit gegaan (chemisch gezien) dat alle systemen streefden naar een zo laag mogelijke energie inhoud: een maat om dit uit te drukken was de enthalpie. Het leek een logische gedachte en deze werd ook ondersteund door vele experimenten. Bijna alle chemische reacties waren exotherme reacties waarbij er warmte vrijkwam. Warmte afgeven bleek een natuurlijk proces om de energie van het product zo laag mogelijk te krijgen en te houden. Het probleem was dat er ook spontane endotherme reacties bestonden waarbij warmte werd opgenomen. Hier bleek de logica die zo lang had standgehouden onjuist. Er was een tweede doel voor een systeem: het streven naar een zo hoog mogelijke wanorde (entropie). Deze twee strevens vinden een evenwicht in de formule zoals die hierboven wordt genoemd.
[bewerk] Analogie
| arbeidsvorm | sterktefactor | eenheid | eenheidsfactor | eenheid | arbeid | eenheid |
|---|---|---|---|---|---|---|
| mechanische | valhoogte | m | gewicht | N=J/m | valhoogte x gewicht | J |
| elektrische | elektrische spanning | V=J/C | hoeveelheid elektrische lading | C | spanning x lading | J |
| chemische | verandering van vrije energie ΔG | J/mol | stofmassa | mol | ΔG x stofmassa | J |
