Үнэгүй эрчим хүч ба Стандарт үнэгүй эрчим хүч
Чөлөөт энерги гэж юу вэ?
Термодинамик системийн хийж чадах ажлын хэмжээг чөлөөт энерги гэнэ. Чөлөөт энергийг Хельмгольцын чөлөөт энерги ба Гиббсын чөлөөт энерги гэсэн хоёр нэр томъёогоор тодорхойлж болно. Химийн шинжлэх ухаанд бид "чөлөөт энерги" гэдэг үгийг хэрэглэхэд Гиббсийн чөлөөт энерги гэсэн үг юм. Физикийн хувьд чөлөөт энерги гэдэг нь Хельмгольцын чөлөөт энергийг хэлдэг. Хоёр нэр томъёог доор тайлбарлав.
Термодинамикийн 2-р хууль нь энтропитэй холбоотой бөгөөд "Орчлон ертөнцийн энтропи аяндаа үүсэх процессоор нэмэгддэг" гэж хэлдэг. Энтропи нь үүссэн дулааны хэмжээтэй холбоотой; энэ нь эрчим хүчний доройтлын хэмжээ юм. Гэвч үнэн хэрэгтээ, өгөгдсөн хэмжээний дулааны улмаас үүссэн нэмэлт эмгэгийн хэмжээ q нь температураас хамаардаг. Хэрэв аль хэдийн маш халуун байгаа бол бага зэрэг нэмэлт дулаан нь илүү эмх замбараагүй байдлыг үүсгэдэггүй, гэхдээ температур маш бага бол ижил хэмжээний дулаан нь эмх замбараагүй байдлыг эрс нэмэгдүүлдэг. Иймдгэж бичих нь илүү тохиромжтой.
ds=dq/T
Өөрчлөлтийн чиглэлийг шинжлэхийн тулд бид систем болон хүрээлэн буй орчны өөрчлөлтийг харгалзан үзэх ёстой. Дараах Клаузиусын тэгш бус байдал нь систем болон хүрээлэн буй орчны хооронд дулааны энерги шилжихэд юу болохыг харуулж байна. (Систем нь T температурт хүрээлэн буй орчинтой дулааны тэнцвэрт байдалд байна гэж бодъё)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Хэрэв халаалт тогтмол эзэлхүүнтэй бол бид дээрх тэгшитгэлийг (1) дараах байдлаар бичиж болно. Энэ тэгшитгэл нь аяндаа үүсэх урвалын шалгуурыг зөвхөн төлөв байдлын функцээр илэрхийлдэг.
dS – dU/T ≥0
Дараах тэгшитгэлийг авахын тулд тэгшитгэлийг дахин зохион байгуулж болно.
TdS ≥dU (2-р тэгшитгэл) тул үүнийг гэж бичиж болно.
dU – TdS ≤0
Дээрх илэрхийлэлийг Хельмгольцын энерги, A нэр томъёог ашиглан хялбарчилж болох бөгөөд үүнийггэж тодорхойлж болно.
A=U-TS
Дээрх тэгшитгэлээс бид аяндаа үүсэх урвалын шалгуурыг dA ≤0 гэж гаргаж болно. Энэ нь хэрэв dA ≤0 бол тогтмол температур ба эзэлхүүн дэх системийн өөрчлөлт нь аяндаа явагддаг болохыг харуулж байна. Тиймээс өөрчлөлт нь Гельмгольцын энергийн бууралттай тохирч байвал аяндаа явагддаг. Иймээс эдгээр системүүд нь бага A утгыг өгөхийн тулд аяндаа аяндаа хөдөлдөг.
Гиббсийн чөлөөт энерги нь тогтмол даралтад гарч буй өөрчлөлттэй холбоотой. Тогтмол даралттай дулааны энергийг шилжүүлэх үед зөвхөн өргөтгөлийн ажил байдаг; тиймээс бид 2-р тэгшитгэлийг дараах байдлаар өөрчилж бичнэ.
TdS ≥dH
Энэ тэгшитгэлийг dH-TdS≤0 өгөхийн тулд дахин зохион байгуулж болно. Гиббсийн чөлөөт энерги, G нэр томъёогоор энэ тэгшитгэлийггэж бичиж болно.
G=H-TS
Тогтмол температур, даралттай үед химийн урвалууд нь Гиббсын чөлөөт энергийг багасгах чиглэлд аяндаа явагддаг. Тиймээс dG ≤0
Стандарт үнэгүй эрчим хүч гэж юу вэ?
Стандарт чөлөөт энерги нь стандарт нөхцөлд тодорхойлсон чөлөөт энерги юм. Стандарт нөхцөл нь температур, 298 К; даралт, 1 атм буюу 101.3 кПа; ба 1 М концентрацитай бүх ууссан бодис. Стандарт үнэгүй энергийг Go гэж тэмдэглэнэ.
Чөлөөт энерги ба Стандарт үнэгүй энерги хоёрын ялгаа нь юу вэ?
• Химийн шинжлэх ухаанд чөлөөт энергийг Гиббсын чөлөөт энерги гэж нэрлэдэг. Энэ нь тогтмол даралттай холбоотой өөрчлөлтүүдтэй холбоотой юм. Стандарт чөлөөт энерги нь стандарт нөхцөлд тодорхойлсон чөлөөт энерги юм.
• Иймд стандарт чөлөөт энергийг 298К температур, 1 атм даралтад өгдөг боловч чөлөөт энергийн утга нь температур, даралтаас хамаарч өөрчлөгдөж болно.
