Jump to content

Термодинамическая свободная энергия

В термодинамике термодинамическая свободная энергия является одной из функций состояния ( термодинамической системы остальные — внутренняя энергия , энтальпия , энтропия и т. д.). Изменение свободной энергии — это максимальный объем работы , которую система может совершить в процессе при постоянной температуре , а ее знак указывает, является ли процесс термодинамически выгодным или запрещенным. Поскольку свободная энергия обычно содержит потенциальную энергию , она не является абсолютной, а зависит от выбора нулевой точки. Следовательно, только относительные значения свободной энергии или изменения свободной энергии имеют физический смысл.

Свободная энергия — это часть любой энергии первого закона , которая доступна для выполнения термодинамической работы при постоянной температуре, т. е. работы, опосредованной тепловой энергией . подлежит необратимой потере. Свободная энергия в ходе такой работы [ 1 ] Поскольку энергия первого закона всегда сохраняется, очевидно, что свободная энергия — это расходуемый второго закона вид энергии . На основе системных критериев можно сформулировать несколько функций свободной энергии. свободной энергии Функции представляют собой преобразования Лежандра внутренней энергии .

определяется Свободная энергия Гиббса выражением G = H TS , где H энтальпия , T абсолютная температура , а S энтропия . H = U + pV , где U — внутренняя энергия, p давление , а V — объём. G наиболее полезен для процессов, включающих систему при постоянном давлении p и температуре T , потому что, помимо учета любого изменения энтропии, вызванного просто теплом, изменение G также исключает работу p dV, необходимую для «освобождения места для дополнительных молекул». «производится различными процессами. Таким образом, изменение свободной энергии Гиббса равно работе, не связанной с расширением или сжатием системы, при постоянной температуре и давлении, следовательно, ее полезность для занимающихся растворением химиков , фаз , включая биохимиков.

Исторически более ранняя свободная энергия Гельмгольца определяется, напротив, как A = U TS . Его изменение равно количеству обратимой работы, проделанной над системой или полученной от нее при постоянном T . Отсюда и название «содержание работы» и обозначение А (от немецкого Arbeit «работа»). Поскольку она не имеет отношения к каким-либо величинам, участвующим в работе (таким как p и V ), функция Гельмгольца является совершенно общей: ее уменьшение — это максимальный объем работы, который может совершить система при постоянной температуре, и она может увеличиваться при постоянной температуре. в основном по объему работы, совершаемой над системой изотермически. Свободная энергия Гельмгольца имеет особое теоретическое значение, поскольку она пропорциональна логарифму статистической суммы канонического ансамбля статистической механики . (Отсюда его полезность для физиков , а также для химиков газовой фазы и инженеров, которые не хотят игнорировать p dV работу .)

Исторически термин «свободная энергия» использовался для обозначения любой величины. В физике свободная энергия чаще всего относится к свободной энергии Гельмгольца, обозначаемой A (или F ), тогда как в свободная химии энергия чаще всего относится к свободной энергии Гиббса. Значения двух свободных энергий обычно очень похожи, и предполагаемая функция свободной энергии часто подразумевается в рукописях и презентациях.

Значение слова «бесплатный»

[ редактировать ]

Основное определение «энергии» — это мера способности тела (в термодинамике — системы) вызывать изменения. Например, когда человек толкает тяжелый ящик на несколько метров вперед, он оказывает на ящик механическую энергию, также известную как работа, на расстояние в несколько метров вперед. Математическое определение этой формы энергии — это произведение силы, действующей на объект, и расстояния, на которое переместился ящик ( Работа = Сила × Расстояние ). Поскольку человек изменил стационарное положение коробки, он приложил к этой коробке энергию. Совершенную работу можно также назвать «полезной энергией», поскольку энергия была преобразована из одной формы в целевое назначение, т. е. механическое использование. В случае человека, толкающего коробку, энергия в форме внутренней (или потенциальной) энергии, полученной в результате метаболизма, была преобразована в работу по толканию коробки. Однако это преобразование энергии было непростым: хотя некоторая внутренняя энергия уходила на толкание коробки, часть отводилась (терялась) в виде тепла (передаваемая тепловая энергия).

Для обратимого процесса тепло является произведением абсолютной температуры. и изменение энтропии тела (энтропия — мера беспорядка в системе). Разница между изменением внутренней энергии, которая , а энергия, теряемая в виде тепла, — это то, что называется «полезной энергией» тела, или работой тела, совершаемой над предметом. В термодинамике это то, что известно как «свободная энергия». Другими словами, свободная энергия — это мера работы (полезной энергии), которую система может выполнить при постоянной температуре.

Математически свободная энергия выражается как

Это выражение обычно интерпретируется как означающее, что работа извлекается из внутренней энергии. пока представляет собой энергию, недоступную для выполнения работы. Однако это неверно. Например, при изотермическом расширении идеального газа изменение внутренней энергии равно и работа по расширению происходит исключительно от срок якобы отсутствует для выполнения работы. Но примечательно, что производная форма свободной энергии: (для свободной энергии Гельмгольца) действительно указывает на то, что спонтанное изменение свободной энергии нереактивной системы (НЕ внутренней энергии) включает в себя доступную энергию для совершения работы (в данном случае сжатия) и недоступная энергия . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Аналогичное выражение можно записать и для изменения свободной энергии Гиббса. [ 5 ] [ 3 ] [ 4 ]

В XVIII и XIX веках теория тепла , т. е. теория тепла как формы энергии, имеющей отношение к вибрационному движению, начала вытеснять как теорию теплорода , т. е. что тепло является жидкостью, так и теорию четырёх элементов . в котором тепло было самым легким из четырех элементов. Подобным же образом в эти годы теплоту начали разделять на различные классификационные категории, такие как «свободное тепло», «комбинированное тепло», «лучистое тепло», удельная теплоемкость , теплоемкость , «абсолютная теплота», «скрытая теплота». калорийность», «свободная» или «ощутимая» калорийность ( calorique sensible ) и другие.

В 1780 году, например, Лаплас и Лавуазье заявили: «В общем, можно заменить первую гипотезу на вторую, заменив слова «свободное тепло, комбинированное тепло и выделяющееся тепло» на « vis viva» , «потеря vis viva» и «vis viva». Таким образом, общая масса калорий в теле, называемая абсолютным теплом , рассматривалась как смесь двух компонентов; свободная или ощутимая теплота могла влиять на термометр, тогда как другой компонент, скрытая теплота, могла влиять на термометр. калорийность, не могла. [ 6 ] Использование слов «скрытая теплота» подразумевало сходство со скрытой теплотой в более обычном смысле; его считали химически связанным с молекулами тела. При адиабатическом сжатии газа абсолютное тепло оставалось постоянным, но наблюдаемое повышение температуры означало, что некоторая скрытая теплота стала «свободной» или ощутимой.

В начале 19 века понятие ощутимой или свободной калорийности стало называться «свободным теплом» или «высвобожденным теплом». В 1824 году, например, французский физик Сади Карно в своих знаменитых « Размышлениях о движущей силе огня » говорит о количествах тепла, «поглощенного или высвобожденного» при различных превращениях. В 1882 году немецкий физик и физиолог Герман фон Гельмгольц придумал термин «свободная энергия» для выражения , в котором изменение A (или G ) определяет количество «свободной» энергии для работы при данных условиях, в частности при постоянной температуре. [ 7 ] : 235 

Таким образом, в традиционном использовании термин «свободная» применялся к свободной энергии Гиббса для систем с постоянным давлением и температурой или к свободной энергии Гельмгольца для систем с постоянной температурой, что означало «доступную в форме полезной работы». [ 8 ] Что касается свободной энергии Гиббса, нам необходимо добавить оговорку, что это энергия, свободная для необъемной работы и композиционных изменений. [ 9 ] : 77–79 

Все большее число книг и журнальных статей не содержат приставки «свободно», называя G просто энергией Гиббса (а также энергией Гельмгольца ). Это результат встречи ИЮПАК 1988 года по установлению единой терминологии для международного научного сообщества, на которой прилагательное «свободный» предположительно было исключено. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] Однако этот стандарт еще не получил всеобщего признания, и многие опубликованные статьи и книги до сих пор содержат описательное слово «бесплатно». [ нужна ссылка ]

Приложение

[ редактировать ]

Как и общая концепция энергии, свободная энергия имеет несколько определений, подходящих для разных условий. В физике, химии и биологии этими условиями являются термодинамические параметры (температура , объем , давление , и т. д.). Ученые придумали несколько способов определения свободной энергии. Математическое выражение свободной энергии Гельмгольца:

Это определение свободной энергии полезно для газофазных реакций или в физике при моделировании поведения изолированных систем, находящихся в постоянном объеме. Например, если исследователь хотел провести реакцию горения в бомбовом калориметре, объем оставался постоянным на протяжении всей реакции. Следовательно, теплота реакции является прямой мерой изменения свободной энергии: . С другой стороны, в химии растворов большинство химических реакций протекает при постоянном давлении. В этом случае тепло реакции равна изменению энтальпии системы. При постоянном давлении и температуре свободная энергия реакции известна как свободная энергия Гиббса. .

Эти функции имеют минимум в химическом равновесии, пока определенные переменные ( , и или ) остаются постоянными. Кроме того, они имеют и теоретическое значение при выводе соотношений Максвелла . работу, отличную от p dV Можно добавить , например, для электрохимических ячеек или работу f dx в эластичных материалах и при сокращении мышц . Другими формами работы, которые иногда приходится учитывать, являются напряжение - деформация , магнитная , как при адиабатическом размагничивании , используемом при приближении к абсолютному нулю , и работа, обусловленная электрической поляризацией . Они описываются тензорами .

В большинстве случаев, представляющих интерес, существуют внутренние степени свободы и процессы, такие как химические реакции и фазовые переходы , которые создают энтропию. Даже для однородных «объемных» материалов функции свободной энергии зависят от (часто подавляемого) состава , как и все собственные термодинамические потенциалы ( экстенсивные функции ), включая внутреннюю энергию.

Имя Символ Формула Естественные переменные
Internal energy
Свободная энергия Гельмгольца
Enthalpy
Свободная энергия Гиббса
Landau potential, or
grand potential
,

— количество молекул (альтернативно молей ) типа в системе. Если эти величины не появляются, невозможно описать изменения состава. Дифференциалы только для процессов при однородном давлении и температуре равны (при условии, что работа):

где μ i химический потенциал компонента i- го системы . Второе соотношение особенно полезно при постоянных и , условия, которых легко достичь экспериментально и которые приблизительно характеризуют живые существа. В этих условиях упрощается

Любое уменьшение функции Гиббса системы является верхним пределом любой изотермической , изобарной работы, которая может быть зафиксирована в окружающей среде или может просто рассеяться , проявляясь как раз соответствующее увеличение энтропии системы и/или ее окружения.

Примером является свободная энергия поверхности , величина увеличения свободной энергии, когда площадь поверхности увеличивается на каждую единицу площади.

Метод Монте-Карло с интегралом по траектории представляет собой численный подход к определению значений свободных энергий, основанный на принципах квантовой динамики.

Работа и свободное изменение энергии

[ редактировать ]

Для обратимого изотермического процесса Δ S = q rev / T и, следовательно, определение A приводит к

(при постоянной температуре)

Это говорит нам о том, что изменение свободной энергии равно обратимой или максимальной работе процесса, происходящего при постоянной температуре. В других условиях изменение свободной энергии не равно работе; например, для обратимого адиабатического расширения идеального газа: . Важно отметить, что для теплового двигателя, включая цикл Карно , изменение свободной энергии после полного цикла равно нулю, , в то время как двигатель производит ненулевую работу. Важно отметить, что для тепловых двигателей и других тепловых систем свободная энергия не дает удобных характеристик; внутренняя энергия и энтальпия являются предпочтительными потенциалами для характеристики тепловых систем.

Изменение свободной энергии и самопроизвольные процессы

[ редактировать ]

Согласно второму закону термодинамики , для любого процесса, происходящего в замкнутой системе, действует неравенство Клаузиуса , ΔS > q / T surr . Для процесса при постоянной температуре и давлении без не- PV работы это неравенство преобразуется в . Аналогично, для процесса при постоянной температуре и объеме: . Таким образом, отрицательное значение изменения свободной энергии является необходимым условием самопроизвольности процесса; это наиболее полезная форма второго закона термодинамики в химии. В химическом равновесии при постоянных Т и р без электрической работы d G = 0.

Величина, называемая «свободной энергией», является более совершенной и точной заменой устаревшего термина « сродство» , который использовался химиками в предыдущие годы для описания силы , вызывающей химические реакции . Термин «сродство», используемый в химическом отношении, восходит, по крайней мере, ко времени Альберта Великого . [ 13 ]

Из учебника « Современная термодинамика» 1998 года. [ 14 ] Нобелевского лауреата и профессора химии Ильи Пригожина мы находим: «Поскольку движение объяснялось ньютоновской концепцией силы, химики хотели иметь аналогичную концепцию «движущей силы» для химических изменений. Почему происходят химические реакции и почему они останавливаются при определенных точки? Химики называли «силу», вызывающую химические реакции, родством, но у нее не было четкого определения».

В течение всего 18-го века доминирующим взглядом на тепло и свет была выдвинутая Исааком Ньютоном , гипотеза Ньютона которая утверждает, что свет и тепло — это формы материи, притягиваемые или отталкиваемые другими формами материи с аналогичными силами. гравитации или химического сродства.

В 19 веке французский химик Марселлен Бертело и датский химик Юлиус Томсен попытались количественно оценить сродство, используя теплоту реакции . В 1875 году, после количественной оценки теплот реакций для большого числа соединений, Бертло предложил принцип максимальной работы , согласно которому все химические изменения, происходящие без вмешательства внешней энергии, имеют тенденцию к образованию тел или системы тел, выделяющих тепло. .

Кроме того, в 1780 году Антуан Лавуазье и Пьер-Симон Лаплас заложили основы термохимии , показав, что теплота, выделяемая в реакции, равна теплоте, поглощаемой в обратной реакции. Они также исследовали удельную теплоемкость и скрытую теплоту ряда веществ, а также количество теплоты, выделяемой при сгорании. Аналогичным образом в 1840 году швейцарский химик Жермен Гесс сформулировал принцип, согласно которому выделение тепла в реакции одинаково, независимо от того, протекает ли процесс в одну стадию или в несколько стадий. Это известно как закон Гесса . С появлением в начале 19 века механической теории тепла закон Гесса стал рассматриваться как следствие закона сохранения энергии .

Основываясь на этих и других идеях, Бертло и Томсен, как и другие, считали теплоту, выделяемую при образовании соединения, мерой сродства, или работы, совершаемой химическими силами. Однако эта точка зрения была не совсем верной. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль показал, что можно повысить температуру воды, вращая в ней гребное колесо, показав тем самым, что теплота и механическая работа эквивалентны или пропорциональны друг другу, т. е. примерно dW dQ . Это утверждение стало известно как механический эквивалент тепла и было предшественником первого закона термодинамики .

К 1865 году немецкий физик Рудольф Клаузиус показал, что этот принцип эквивалентности нуждается в поправке. То есть можно использовать тепло, полученное в результате реакции горения в угольной печи, для кипячения воды и использовать это тепло для испарения пара, а затем использовать повышенную энергию высокого давления испаренного пара для толкания поршня. Таким образом, мы могли бы наивно полагать, что можно полностью преобразовать начальную теплоту сгорания химической реакции в работу по толканию поршня. Клаузиус, однако, показал, что необходимо учитывать работу, которую молекулы рабочего тела, т. е. молекулы воды в цилиндре, совершают друг над другом при переходе или переходе от одного этапа или состояния двигателя цикла к следующий, например, из ( ) к ( ). Клаузиус первоначально назвал это «содержанием трансформации» тела, а затем позже изменил название на энтропию . Таким образом, тепло, затрачиваемое на перевод рабочего тела молекул из одного состояния в другое, не может быть использовано для совершения внешней работы, например для толкания поршня. Клаузиус определил эту теплоту превращения как .

В 1873 году Уиллард Гиббс опубликовал «Метод геометрического представления термодинамических свойств веществ с помощью поверхностей» , в котором он представил предварительный обзор принципов своего нового уравнения, способного предсказать или оценить тенденции различных природных процессов, которые могут произойти, когда тела или системы вступают в контакт. Изучая взаимодействия однородных веществ, находящихся в контакте, т. е. тел, состоящих по составу частично из твердого тела, частично из жидкости и частично из пара, и используя трехмерный график объем - энтропия - внутренняя энергия , Гиббс смог определить три состояния равновесие, т.е. «обязательно стабильное», «нейтральное» и «нестабильное», и последуют ли изменения. В 1876 году Гиббс развил эту концепцию, введя понятие химического потенциала , чтобы учесть химические реакции и состояния тел, химически отличающихся друг от друга. По его собственным словам, подводя итог своим результатам в 1873 году, Гиббс заявляет:

Если мы хотим выразить в одном уравнении необходимое и достаточное условие термодинамического равновесия вещества, окруженного средой с постоянным давлением р и температурой Т , то это уравнение можно записать:

δ ( ε - + ) знак равно 0

когда δ относится к изменению, вызванному любыми изменениями в состоянии частей тела, и (когда разные части тела находятся в разных состояниях) к пропорции, в которой тело разделено между различными состояниями. Условием устойчивого равновесия является то, что значение выражения в скобках должно быть минимальным.

В этом описании, используемом Гиббсом, ε относится к внутренней энергии тела, η относится к энтропии тела, а ν — к объему тела.

Следовательно, в 1882 году, после представления этих аргументов Клаузиусом и Гиббсом, немецкий ученый Герман фон Гельмгольц заявил, вопреки гипотезе Бертло и Томаса, что химическое сродство является мерой теплоты реакции химической реакции, основанной на Принцип максимальной работы заключается в том, что сродство — это не теплота, выделяемая при образовании соединения, а наибольшее количество работы, которое можно совершить, если реакция осуществляется обратимым образом, например электрическая работа в обратимом процессе. клетка. Таким образом, максимальная работа рассматривается как уменьшение свободной или доступной энергии системы ( свободная энергия Гиббса G при T = константа, P = константа или свободная энергия Гельмгольца A при T = константа, V = константа), в то время как Выделяемое тепло обычно является мерой уменьшения полной энергии системы ( внутренней энергии ). Таким образом, G или A — это количество энергии, «свободной» для работы в данных условиях.

До этого момента общая точка зрения была такова: «все химические реакции приводят систему к состоянию равновесия, в котором сходство реакций исчезает». В течение следующих 60 лет термин «родство» был заменен термином «свободная энергия». По словам историка химии Генри Лестера, влиятельный учебник Гилберта Н. Льюиса и Мерла Рэндалла «Термодинамика и свободная энергия химических реакций» 1923 года « привел к замене термина сродство» термином «свободная энергия» в большей части английского языка. говорящий мир.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Стоунер, Клинтон Д. (2000). Исследования о природе свободной энергии и энтропии в отношении биохимической термодинамики. Энтропия Том. 2.
  2. ^ Осара, Джуд А.; Брайант, Майкл Д. (сентябрь 2019 г.). «Термодинамика деградации жиров» . Международная Трибология . 137 : 433–445. doi : 10.1016/j.triboint.2019.05.020 . ISSN   0301-679X . S2CID   182266032 .
  3. ^ Перейти обратно: а б Каллен, Герберт Б. (октябрь 1966 г.). Термодинамика . Уайли. ISBN  0-471-13035-4 . OCLC   651933140 .
  4. ^ Перейти обратно: а б Кондепуди, Дилип, 1952- (1998). Современная термодинамика: от тепловых двигателей к диссипативным структурам . Джон Уайли. ISBN  0-471-97393-9 . OCLC   1167078377 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  5. ^ Осара, Джуд; Брайант, Майкл (3 апреля 2019 г.). «Термодинамическая модель деградации литий-ионной батареи: применение теоремы о деградации-генерации энтропии» . Изобретения . 4 (2): 23. doi : 10.3390/inventions4020023 . ISSN   2411-5134 .
  6. ^ Мендоса, Э. (1988). Клапейрон, Э.; Карно, Р. (ред.). Размышления о движущей силе огня – и другие статьи о втором законе термодинамики . Dover Publications, Inc. ISBN  0-486-44641-7 .
  7. ^ Байерляйн, Ральф (2003). Теплофизика . Издательство Кембриджского университета . ISBN  0-521-65838-1 .
  8. ^ Перро, Пьер (1998). Термодинамика от А до Я. Издательство Оксфордского университета . ISBN  0-19-856552-6 .
  9. ^ Рейсс, Ховард (1965). Методы термодинамики . Дуврские публикации. ISBN  0-486-69445-3 .
  10. ^ Комиссия Международного союза теоретической и прикладной химии по химии атмосферы, JG (1990). «Глоссарий терминов по химии атмосферы (рекомендации 1990 г.)» (PDF) . Чистое приложение. хим. 62 (11): 2167–2219. дои : 10.1351/pac199062112167 . S2CID   53117465 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года . Проверено 28 декабря 2006 г.
  11. ^ Комиссия Международного союза теоретической и прикладной химии по терминологии и единицам физико-химических символов (1993). Количества, единицы и символы в физической химии (2-е изд.). Оксфорд: Научные публикации Блэквелла. стр. 48 . ISBN  0-632-03583-8 . Проверено 28 декабря 2006 г.
  12. ^ Леманн, HP; Фуэнтес-Ардериу, X.; Бертелло, Л.Ф. (1996). «Глоссарий терминов по количествам и единицам клинической химии (Рекомендации IUPAC-IFCC, 1996 г.)» (PDF) . Чистое приложение. хим. 68 (4): 957–100 0. doi : 10.1351/pac199668040957 . S2CID   95196393 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 года.
  13. ^ Килес, Хуан (июль 2019 г.). «Исторический/эпистемологический отчет об основании ключевых идей, поддерживающих теорию химического равновесия» . Основы химии . 21 (2): 223. дои : 10.1007/s10698-018-9320-0 . S2CID   102566121 . Проверено 2 ноября 2021 г.
  14. ^ Кондепуди, Дилип; Пригожин, Илья (1998). Современная термодинамика . John Wiley & Sons Ltd. ISBN компании  978-0-471-97394-2 . Глава 4, Раздел 1, Параграф 2 (стр. 103)
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 7931d2acbb31351178b5538530247c5c__1713573780
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/79/5c/7931d2acbb31351178b5538530247c5c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Thermodynamic free energy - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)