Energia swobodna i entalpia swobodna
Po energii wewnętrznej, entalpii i entropii przyszedł czas na 2 kolejne funkcje termodynamiczne a mianowicie energię swobodną i entalpię swobodną. Być może w tym momencie zadajesz sobie pytanie po co wprowadzać kolejne 2 funkcje jeśli już i bez tego termodynamika jest dosyć zawiła. Wprowadzono kolejne 2 funkcje oczywiście po to, żeby uprościć obliczenia. Skąd my to znamy? Zwiększamy ilość równań, a więc jeszcze bardziej komplikujemy sprawę, a robimy to po to, żeby sobie ułatwić obliczenia. Wiem, brzmi to jak jakiś żart, ale autentycznie taka jest prawda J i za chwalę Cię do tego przekonam!
Energię swobodną opisuje taką część energii, która może być zamieniona na pracę lub ciepło w warunkach stałego ciśnienia, natomiast entalpia swobodna w warunkach stałego ciśnienia. Warunki stałego ciśnienia są dużo bardziej powszechne więc z nimi będziesz miał częściej do czynienia.
Obie te funkcje zostały wyprowadzone po to, żeby swobodnie można było oceniać czy proces jest samorzutny czy nie. Ale przecież procesy samorzutne można było oceniać korzystając z entropii. Pamiętasz jeszcze?
Jeśli suma entropii układu i otoczenia była równa zero to proces był odwracalny.
dSukł+dSoto=0
Natomiast jeśli większa od zero to proces był samorzutny i nieodwracalny.
dSukł+dSoto>0
Skoro za pomocą entropii można określić czy proces jest samorzutny czy nie to po co wyprowadzać nowe funkcje? W entropii jest jeden mankament! Znajduje się tam entropia otoczenia! Bardzo trudno kontrolować zmianę otoczenia, tak więc ta wielkość zawsze będzie problematyczna. Z tego powodu naukowcy chcieli się pozbyć z powyższej nierówności problematycznej entropii otoczenia wstawiając w jej miejsce coś mniej problematycznego. Warto było trochę pogłówkować, bo przecież umiejętność określania czy procesy są samorzutne czy nie jest bardzo przydatna.
Pierwsze co zrobili naukowcy to skorzystali z pierwszego równania i je przekształcili otrzymując wniosek: zmiana entropii otoczenia jest równa –zmiana entropii układu
dSoto=- dSukł
Jak wiesz na zmianę entropii układu wpływa produkcja entropii oraz transport entropii
W warunkach odwracalnych produkcja entropii jest równa zero, wówczas zmiana entropii układu jest równa:
Teraz trzeba się zastanowić czemu jest równe ciepło w warunkach stałej objętości ( zerknij na wzór poniżej)
dU=dQ+p*dV
Oczywiście dV czyli zmiana objętości w warunkach stałej objętości jest równa zero nie ma żadnej zmiany objętości). Z tego wynika, że ciepło jest równe dU=dQ
Jak już wiemy ile jest równe ciepło to możemy je wstawić do zmiany entropii układu.
Na początku tego artykułu napisałem, że dSoto=- dSukł teraz znając już dSukł spokojnie możemy napisać, że zmiana entropii otoczenia jest równa:
Jak już mamy zmianę entropii otoczenia to możemy wrócić do drugiej nierówności w tym artykule, a mianowicie:
dSukł+dSoto>0
I w miejsce dSoto wstawić wyprowadzoną zależność:
Poniżej wyprowadzenie już do końca wzoru na energię swobodną:
Jeśli dF jest mniejsze od zera to proces jest samorzutny. Tak samo można wyprowadzić wzór do entalpii swobodnej.
Poniżej są rozpisane definicje na energię swobodną i entalpię swobodną oraz wzory, z którego można obliczyć zmianę energii swobodnej i entalpii swobodnej.
Jeśli szukasz zadań z tej tematyki to przesyłam link do mojego kursu