พลังงานฟรีเทียบกับพลังงานฟรีมาตรฐาน
พลังงานฟรีคืออะไร
ปริมาณงานที่ระบบอุณหพลศาสตร์สามารถทำได้เรียกว่าพลังงานอิสระ พลังงานอิสระสามารถอธิบายได้โดยใช้คำศัพท์สองคำ คือ พลังงานฟรีของเฮล์มโฮลทซ์ และพลังงานอิสระของกิ๊บส์ ในวิชาเคมี เวลาเราใช้คำว่า “พลังงานอิสระ” หมายถึงพลังงานกิ๊บส์ ในทางฟิสิกส์ พลังงานอิสระหมายถึงพลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์ คำศัพท์ทั้งสองคำอธิบายไว้ด้านล่าง
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับเอนโทรปี และมันกล่าวว่า “เอนโทรปีของจักรวาลเพิ่มขึ้นในกระบวนการที่เกิดขึ้นเอง” เอนโทรปีเกี่ยวข้องกับปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้น นั่นคือขอบเขตที่พลังงานถูกลดระดับลงแต่ในความเป็นจริง ปริมาณของความผิดปกติเพิ่มเติมที่เกิดจากปริมาณความร้อน q ที่กำหนดนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ถ้ามันร้อนมากอยู่แล้ว ความร้อนที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยจะไม่ทำให้เกิดความผิดปกติมากนัก แต่ถ้าอุณหภูมิต่ำมาก ความร้อนในปริมาณที่เท่ากันจะทำให้ความผิดปกติเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังนั้นจึงควรเขียน
ds=dq/T
วิเคราะห์ทิศทางการเปลี่ยนแปลงต้องพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงทั้งระบบและบริเวณโดยรอบ ความไม่เท่าเทียมกันของ Clausius ต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อมีการถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างระบบกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ (พิจารณาว่าระบบอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิ T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
ถ้าให้ความร้อนที่ปริมาตรคงที่ เราสามารถเขียนสมการข้างต้น (1) ได้ดังนี้ สมการนี้แสดงเกณฑ์สำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองในแง่ของหน้าที่ของรัฐเท่านั้น
dS – dU/T ≥0
สามารถจัดเรียงสมการใหม่ได้สมการต่อไปนี้
TdS ≥dU (สมการที่ 2) ดังนั้น เขียนได้ว่า
dU – TdS ≤0
นิพจน์ข้างต้นสามารถทำให้ง่ายขึ้นโดยใช้คำว่า Helmholtz energy, A ซึ่งสามารถกำหนดได้เป็น
A=U-TS
จากสมการข้างต้น เราสามารถหาเกณฑ์สำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเองเป็น dA ≤0 สิ่งนี้ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงในระบบที่อุณหภูมิและปริมาตรคงที่จะเกิดขึ้นเองถ้า dA ≤0 ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเมื่อสอดคล้องกับการลดลงของพลังงานของเฮล์มโฮลทซ์ ดังนั้นระบบเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปในเส้นทางที่เกิดขึ้นเองเพื่อให้ค่า A ต่ำลง
กิ๊บส์พลังงานฟรีเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นที่ความดันคงที่ เมื่อพลังงานความร้อนถูกถ่ายเทที่ความดันคงที่ จะมีเพียงงานขยายเท่านั้น ดังนั้นเราจึงแก้ไขและเขียนสมการ 2 ดังนี้
TdS ≥dH
สมการนี้สามารถจัดใหม่เพื่อให้ dH-TdS≤0. ด้วยคำว่า Gibbs free energy, G สมการนี้สามารถเขียนเป็น
G=H-TS
ที่อุณหภูมิและความดันคงที่ ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในทิศทางของการลดพลังงานกิ๊บส์ฟรี ดังนั้น dG ≤0
พลังงานฟรีมาตรฐานคืออะไร
พลังงานอิสระมาตรฐานคือพลังงานอิสระที่กำหนดไว้ในสภาวะมาตรฐาน เงื่อนไขมาตรฐานคืออุณหภูมิ 298 K; ความดัน 1 atm หรือ 101.3 kPa; และสารละลายทั้งหมดที่ความเข้มข้น 1 โมลาร์ พลังงานฟรีมาตรฐานแสดงเป็น Go
พลังงานฟรีกับพลังงานฟรีมาตรฐานต่างกันอย่างไร
• ในวิชาเคมี พลังงานฟรีเรียกว่าพลังงานกิ๊บส์ มันเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นที่ความดันคงที่ พลังงานอิสระมาตรฐานคือพลังงานอิสระที่กำหนดไว้ในเงื่อนไขมาตรฐาน
• ดังนั้น พลังงานอิสระมาตรฐานจะได้รับที่อุณหภูมิ 298K และความดัน 1 atm แต่ค่าพลังงานอิสระสามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน