Helmholtz fri energi

Helmholtz -energi (eller blot fri energi ) er et termodynamisk potentiale , hvis tab i en kvasistatisk isotermisk proces er lig med det arbejde, som systemet udfører på eksterne legemer.

Definition

Helmholtz frie energi for et system med et konstant antal partikler er defineret som følger:

${\mathcal {F}}=U-TS$ , hvor er den indre energi , er den absolutte temperatur , er entropien . $U$ $T$ $S$

Derfor er den frie energidifference lig med:

$d{\mathcal {F}}=d(U-TS)=\delta Q-\delta Ad(TS)=-PdV-SdT$ .

Det kan ses, at dette udtryk er en total differential med hensyn til de uafhængige variable og . Derfor er Helmholtz frie energi til ligevægtstilstanden ofte udtrykt som en funktion af . $T$ $V$ ${\mathcal {F}}={\mathcal {F}}(T,V)$

For et system med et variabelt antal partikler er Helmholtz fri energidifferential skrevet som følger:

$d{\mathcal {F}}=-PdV-SdT+\mu dN$ ,

hvor er det kemiske potentiale og er antallet af partikler i systemet. I dette tilfælde skrives Helmholtz frie energi for ligevægtstilstanden som en funktion af . $\mu$ $N$ ${\mathcal {F}}={\mathcal {F}}(T,V,N)$

I overensstemmelse med anbefalingerne fra IUPAC kan Helmholtz-energien i kemisk termodynamik også betegnes som A [1] .

Helmholtz fri energi og stabilitet af termodynamisk ligevægt

Det kan påvises, at i et system med fast temperatur og volumen , svarer positionen af stabil ligevægt til minimumspunktet for Helmholtz fri energi. Med andre ord, på dette tidspunkt (for et sådant system) er ingen ændringer i de makroskopiske parametre mulige.

Helmholtz fri energi og maksimalt arbejde

Den Helmholtz frie energi har fået sit navn fra, at den er et mål for det arbejde, et termodynamisk system kan udføre på ydre legemer.

Lad systemet gå fra stat til stat . Da arbejdet ikke er en funktion af systemets tilstand , vil det arbejde, som systemet udfører i en given proces, afhænge af den vej, langs hvilken denne overgang finder sted. $en$ $2$

Lad os sætte os som mål at bestemme det maksimale arbejde, som systemet kan udføre i dette tilfælde.

Det kan påvises, at dette maksimale arbejde er lig med tabet af Helmholtz fri energi:

$A_{max}^{f}=-\Delta {\mathcal {F))$ . Her betyder indekset f , at den pågældende mængde er systemets samlede arbejde i den givne proces (se nedenfor).

Frie energier fra Helmholtz og Gibbs

I applikationer omtales "fri energi" nogle gange ikke som Helmholtz-fri energi, men som Gibbs-energi . Dette skyldes det faktum, at Gibbs-energien også er et mål for maksimalt arbejde, men i dette tilfælde overvejes kun arbejde på eksterne kroppe, undtagen mediet:

$A_{max}^{u}=-\Delta G$ , hvor er Gibbs-energien. $G$

Se også

Noter

↑ Engelsk. E. R. Cohen, T. Cvitas, J. G. Frey, B. Holmström, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H. L. Strauss, M. Takami og A. J. Thor, " Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry", IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008) - s. 56.

Litteratur

Bazarov I.P. Termodynamik. (utilgængeligt link) M.: Vysshaya shkola, 1991. 376 s.
Kvasnikov. IA Termodynamik og statistisk fysik. Theory of Equilibrium Systems, vol. 1. M.: Publishing House of Moscow State University, 1991. (2. udgave, rev. og tilf. M.: URSS, 2002. 240 s.)
Sivukhin DV Almen kursus i fysik. - M . : Nauka , 1975. - T. II. Termodynamik og molekylær fysik. — 519 s.
Landau L. D. , Lifshitz E. M. Statistisk fysik. Del 1. - 3. udgave, tilf. — M .: Nauka , 1976. — 584 s. - (" Teoretisk fysik ", bind V).

Termodynamiske potentialer
Intern energi Entalpi Helmholtz fri energi Gibbs energi Stort termodynamisk potentiale
Portal "Fysik"