Үндсэн ялгаа – Чөлөөт энерги ба энтальпи
Чөлөөт энерги ба энтальпи нь термодинамик системд тохиолддог дулааны энерги болон химийн урвалын хоорондын хамаарлыг тайлбарлахад хэрэглэгддэг термодинамикийн хоёр нэр томъёо юм. Чөлөөт энерги буюу термодинамик чөлөөт энерги гэдэг нь термодинамик системийн хийж чадах ажлын хэмжээ юм. Өөрөөр хэлбэл, чөлөөт энерги гэдэг нь термодинамикийн ажлыг гүйцэтгэхэд тухайн термодинамик системд байгаа энергийн хэмжээ юм. Харин энтальпи нь термодинамик систем дэх нийт энергийн агуулгыг илэрхийлдэг термодинамик хэмжигдэхүүн юм. Чөлөөт энерги ба энтальпийн хоорондох гол ялгаа нь чөлөөт энерги нь термодинамикийн ажлыг гүйцэтгэхэд шаардагдах нийт энергийг өгдөг бол энтальпи нь дулаанд хувирч болох термодинамик системийн нийт энергийг өгдөг.
Үнэгүй энерги гэж юу вэ?
Чөлөөт энерги гэдэг нь термодинамик системд термодинамик ажил гүйцэтгэхэд шаардагдах энергийн хэмжээ юм. Чөлөөт энерги нь энергийн хэмжигдэхүүнтэй байдаг. Термодинамик системийн чөлөөт энергийн утгыг системийн одоогийн төлөвөөр тодорхойлно; түүхээрээ биш. Термодинамик дээр ихэвчлэн ярьдаг чөлөөт энергийн хоёр үндсэн төрөл байдаг; Хельмгольцын чөлөөт энерги ба Гиббсийн чөлөөт энерги.
Helmholtz Free Energy
Гельмгольцын чөлөөт энерги нь тогтмол температур, эзэлхүүнтэй термодинамик ажлыг гүйцэтгэх хаалттай, термодинамик системд байдаг энерги юм. Тиймээс Гельмгольцын энергийн сөрөг утга нь термодинамик системийн эзэлхүүнийг тогтмол барьснаар хийж чадах хамгийн их ажлыг илэрхийлдэг. Эзлэхүүнийг тогтмол байлгахын тулд нийт термодинамик ажлын зарим хэсгийг хилийн ажил (системийн хилийг байгаагаар нь байлгах) хэлбэрээр гүйцэтгэдэг. Гельмгольцын энергийн тэгшитгэлийг доор өгөв.
A=U – TS
Энд А нь Гельмгольцын чөлөөт энерги, U нь дотоод энерги, T нь тогтмол температур, S нь системийн энтропи юм. Энтропи нь системийн дулааны энергийг механик ажилд хувиргах боломжгүйг илэрхийлдэг термодинамик хэмжигдэхүүн юм.
Зураг 01: Херман фон Хельмгольц Хельмгольцын чөлөөт энергийн тухай ойлголтыг анх дэвшүүлсэн
Гиббс үнэгүй энерги:
Гиббс нь тогтмол температур, даралтад термодинамик ажлыг гүйцэтгэхийн тулд хаалттай, термодинамик системд байдаг энергийг чөлөөлдөг. Системийн эзлэхүүн өөр өөр байж болно. Чөлөөт энергийг G-ээр тэмдэглэв. Гиббсын чөлөөт энергийн тэгшитгэлийг доор өгөв.
G=H – TS
Дээрх тэгшитгэлд G нь Гиббсийн чөлөөт энерги, H нь системийн энтальпи, Y нь тогтмол температур, S нь системийн энтропи юм.
Энтальпи гэж юу вэ?
Системийн энтальпи нь системийн нийт дулааны агуулгатай тэнцэх термодинамик хэмжигдэхүүн юм. Энэ нь системийн дотоод энерги дээр даралт ба эзэлхүүний үржвэртэй тэнцүү байна. Тиймээс энэ нь системийн термодинамик шинж чанар юм. Энтальпийн тэгшитгэлийг доор өгөв.
H=U + PV
Үүний дагуу H нь системийн энтальпи, U нь системийн дотоод энерги, P нь даралт, V нь эзэлхүүн юм. Системийн энтальпи нь тухайн системийн дулаан ялгаруулах (механик бус ажил хийх) чадавхийн үзүүлэлт юм. Энтальпийг H тэмдгээр тэмдэглэв.
Системийн энтальпийг тодорхойлох нь химийн урвал экзотермик эсвэл эндотермик эсэхийг тодорхойлох боломжийг олгодог. Системийн энтальпийн өөрчлөлтийг урвалын дулааныг тодорхойлох, мөн химийн урвал аяндаа эсвэл аяндаа биш гэдгийг таамаглахад ашиглаж болно.
Чөлөөт энерги ба энтальпийн хооронд ямар хамааралтай вэ?
Гиббсын чөлөөт энерги ба энтальпи нь дараах тэгшитгэлээр холбогдоно.
G=H – TS
Дээрх тэгшитгэлд G нь Гиббсийн чөлөөт энерги, H нь системийн энтальпи, Y нь тогтмол температур, S нь системийн энтропи юм. G ба H хоёулаа ижил хэмжүүртэй.
Чөлөөт энерги ба энтальпи хоёрын ялгаа юу вэ?
Үнэгүй эрчим хүч ба Энтальпи |
|
| Чөлөөт энерги гэдэг нь термодинамик системд термодинамик ажил гүйцэтгэхэд шаардагдах энергийн хэмжээ юм. | Системийн энтальпи нь системийн нийт дулааны агуулгатай тэнцэх термодинамик хэмжигдэхүүн юм. |
| Үзэл баримтлал | |
| Чөлөөт энерги нь термодинамик ажлыг гүйцэтгэхэд шаардагдах нийт энергийг өгдөг. | Энтальпи нь дулаан болгон хувиргах системийн нийт энергийг өгдөг. |
| Хөрвөх | |
| Чөлөөт энерги нь системийн механик ажилд хувирах энергийг өгдөг. | Энтальпи нь системийн механик бус ажилд хувирах энергийг өгдөг. |
Хураангуй – Үнэгүй эрчим хүч ба Энтальпи
Термодинамик системийн чөлөөт энерги ба энтальпи нь системд байгаа энергийг илэрхийлдэг. Чөлөөт энерги ба энтальпийн гол ялгаа нь чөлөөт энерги нь термодинамик ажлыг гүйцэтгэхэд шаардагдах нийт энергийг өгдөг бол энтальпи нь дулаан болгон хувиргах системийн нийт энергийг өгдөгт оршино.
