Potencjały termodynamiczne

Z Wikipedii

Masz nowe wiadomości (różnica z poprzednią wersją).

Potencjały termodynamiczne - wielkości fizyczne związane z układem termodynamicznym mające wymiar energii. Nazywane są "potencjałami", ponieważ są odpowiednikami energii potencjalnej w mechanice. Cztery, najczęściej używane potencjały termodynamiczne określane są dla założonych stałych, nie zmieniających się par parametrów przemiany termodynamicznej: (S,V) lub (T,V) lub (S,P) lub (T,P).

Nazwa potencjału	Formuła	Parametry przemiany
Energia wewnętrzna	$U\,$	$~~~~~S,V,\{N_i\}\,$
Swobodna energia Helmholtza	$A=U-TS\,$	$~~~~~T,V,\{N_i\}\,$
Entalpia	$H=U+PV\,$	$~~~~~S,P,\{N_i\}\,$
Entalpia swobodna Gibbsa	$G=U+PV-TS\,$	$~~~~~T,P,\{N_i\}\,$

gdzieT = temperatura, S = entropia, P = ciśnienie, V = objętość, $N i$ - liczba cząsteczek typu i. W układach w których liczba cząsteczek poszczególnych typów nie zmienia się parametr ten jest ignorowany.

Swobodna energia Helmholtza często jest oznaczana symbolem F, ale przez IUPAC preferowane jest używania A. (zobacz: Alberty, 2001).

Spis treści

1 Energia wewnętrzna
2 Energia swobodna (Potencjał Helmholtza)
3 Entalpia
4 Funkcja Gibbsa
5 Warunki równowagi układu termodynamicznego
6 Linki zewnętrzne

[edytuj] Energia wewnętrzna

W termodynamice energia wewnętrzna układu termodynamicznego lub ciała o ściśle określonych granicach, oznaczona jest przez U, czasami przez E, jest całkowitą energią kinetyczną molekuł (ruch postępowy, obrotowy, drgania) i energii potencjalnej związanej z drganiami i energią elektryczną atomów wewnątrz cząsteczek lub kryształów. Zawiera ona energię wszystkich wiązań chemicznych i swobodnych elektronów przewodnictwa metali. Do energii wewnętrznej zalicza się też promieniowanie elektromagnetyczne będące w objętości układu. W termodynamice nie jest istotna całkowita ilość energii lecz jej zmiany, dlatego wszystkie rodzaje energii, które nie zmieniają się podczas przemian termodynamicznych są pomijane.

Energia wewnętrzna jest potencjałem termodynamicznym i w zamkniętym układzie termodynamicznym o stałej entropii osiąga najmniejsza wartość.

Jest funkcją stanu układu proporcjonalną do ilości materii w układzie.

[edytuj] Energia swobodna (Potencjał Helmholtza)

W termodynamice potencjał Helmholtza jest potencjałem termodynamicznym, którym można zmierzyć "użyteczną" pracę możliwą do uzyskania z zamkniętego układu termodynamicznego przy stałej temperaturze. Dla takiego układu ujemna różnica potencjału Helmholtza jest równa maksymalnej wielkości pracy przemiany termodynamicznej, w której temperatura jest stała. W tych warunkach osiąga swoje minimum w stanie równowagi.

[edytuj] Entalpia

W termodynamice i chemii molekularnej, entalpia (lub zawartość ciepła, oznaczona jako H lub ΔH, rzadziej χ) jest określeniem lub opisem potencjału termodynamicznego układu, który może być użyty do obliczenia "użytecznej" pracy możliwej do otrzymania z zamkniętego układu termodynamicznego przy stałym ciśnieniu.

[edytuj] Funkcja Gibbsa

W termodynamice, swobodna entalpia Gibbsa jest potencjałem termodynamicznym, za pomocą którego można zmierzyć "użyteczną" pracę możliwą do uzyskania w izotermicznym-izobarycznym procesie. W technice, swobodna entalpia Gibbsa jest maksymalna wielkością pracy nie związanej z pV, uzyskanej z zamkniętego układu i może osiągnąć swoje maksimum w procesie odwracalnym. Kiedy w układzie dokonuje się przemiana z dokładnie określonego stanu początkowego do dokładnie określonego stanu końcowego, swobodna entalpia Gibbsa ΔG równa się pracy wymienionej przez układ z otoczeniem minus praca sił ciśnienia, podczas odwracalnego procesu układu od tego samego stanu początkowego do tego samego stanu końcowego.

Swobodna entalpia Gibbsa, pierwotnie nazywana dostępną energią, została zdefiniowana w 1873 r. przez amerykańskiego matematyka i fizyka Willarda Gibbsa, który zdefiniował ją w następujący sposób: "Największa ilość mechanicznej pracy która może być otrzymana z określonej ilości pewnej substancji dla założonego stanu początkowego, bez wzrostu objętości lub umożliwienia wymiany ciepła z ciałami zewnętrznymi, z wyjątkiem takich, które w końcu procesu są pozostawione w ich początkowym stanie"

[edytuj] Warunki równowagi układu termodynamicznego

Potencjały termodynamiczne są bardzo użyteczne przy obliczeniach równowagi reakcji chemicznych, lub kiedy dokonujemy pomiaru własności substancji biorących udział w reakcji chemicznej. Reakcje chemiczne zwykle przebiegają w warunkach pewnych ograniczeń takich jak ciśnienie i temperatura, lub stała entropia i objętość. Dla tak określonych ograniczeń (stałych parametrów przemiany) odpowiedni potencjał termodynamiczny jest efektywnym narzędziem analizy. Potencjały termodynamiczne mogą być również użyte do oszacowania całej ilości energii możliwej do uzyskania z układu termodynamicznego przy odpowiednio określonych stałych parametrach przemiany.

Proces termodynamiczny zachodzi dopóty, dopóki układ nie osiągnie stanu równowagi. W stanie równowagi odpowiedni potencjał termodynamiczny osiąga minimum, podczas gdy entropia osiąga maksimum.

Różnica potencjałów między punktami A i B przemiany określa pracę minimalną, którą należy wykonać nad układem w danym procesie termodynamicznym, aby przeszedł on ze stanu A do stanu B, lub pracę maksymalną możliwą do uzyskania z tego układu w przemianie odwrotnej ze stanu B do stanu A. W przypadku procesów odwracalnych, nierówności zamieniają się na równości.

Energia wewnętrzna U składa się z dwóch części: TS, która jest związana z wymianą ciepła z otoczeniem i drugiej F, wymienianej na sposób pracy. Ponieważ z reguły interesuje nas praca jaką układ może wykonać, wiec F nazywa się energią swobodną, a TS energią związana układu. (To rozróżnienie ma sens dla przemian izotermiczno-kwazistatycznych.)[1].

W szczególności:

Kiedy entropia (S) i "zewnętrzne parametry" (np. objętość) zamkniętego układu termodynamicznego są stałymi parametrami przemiany, energia wewnętrzna (U) maleje i osiąga minimalną wartość w punkcie równowagi. Wynika to z pierwszej i drugiej zasady termodynamiki i jest nazwane zasadą minimum energii. Kolejne trzy twierdzenia są bezpośrednim wnioskiem tej zasady.
Kiedy temperatura (T) i zewnętrzne parametry zamkniętego układu termodynamicznego są stałe, swobodna energia Helmholtza (A) maleje i osiąga minimalną wartość w punkcie równowagi.
Kiedy ciśnienie (P) i zewnętrzne parametry zamkniętego układu termodynamicznego są stałe, entalpia (H) maleje i osiąga minimalną wartość w punkcie równowagi.
Kiedy temperatura(T), ciśnienie (P) i zewnętrzne parametry zamkniętego układu termodynamicznego są stałe, swobodna entalpia Gibbsa (G ) maleje i osiąga minimalną wartość w punkcie równowagi.