Energía gratuita frente a energía gratuita estándar
¿Qué es la energía libre?
La cantidad de trabajo que puede realizar un sistema termodinámico se conoce como energía libre. La energía libre se puede describir usando dos términos, energía libre de Helmholtz y energía libre de Gibbs. En química, cuando usamos la palabra "energía libre" eso significa energía libre de Gibbs. En física, la energía libre se refiere a la energía libre de Helmholtz. Ambos términos se describen a continuación.
La segunda ley de la termodinámica está relacionada con la entropía y dice: "la entropía del universo aumenta en un proceso espontáneo". La entropía está relacionada con la cantidad de calor generado; esa es la medida en que la energía se ha degradado. Pero, de hecho, la cantidad de desorden extra causada por una cantidad dada de calor q depende de la temperatura. Si ya hace mucho calor, un poco de calor extra no crea mucho más desorden, pero si la temperatura es muy baja, la misma cantidad de calor causará un aumento dramático en el desorden. Por lo tanto, es más apropiado escribir, ds=dq/T
Para analizar la dirección del cambio, tenemos que considerar los cambios tanto en el sistema como en el entorno. La siguiente desigualdad de Clausius muestra lo que sucede cuando se transfiere energía térmica entre el sistema y el entorno. (Considere que el sistema está en equilibrio térmico con el entorno a la temperatura T)
dS – dq/T ≥0.…………(1)
Si el calentamiento se realiza a volumen constante, podemos escribir la ecuación anterior (1) de la siguiente manera. Esta ecuación expresa el criterio para que tenga lugar una reacción espontánea únicamente en términos de funciones de estado.
dS – dU/T ≥0
La ecuación se puede reorganizar para obtener la siguiente ecuación.
TdS ≥dU (Ecuación 2), por lo que se puede escribir como
dU – TdS ≤0
La expresión anterior se puede simplificar mediante el uso del término energía de Helmholtz, A, que se puede definir como, A=U-TS
De las ecuaciones anteriores, podemos derivar un criterio para una reacción espontánea como dA ≤0. Esta establece que, un cambio en un sistema a temperatura y volumen constantes es espontáneo si dA ≤0. Entonces el cambio es espontáneo cuando corresponde a una disminución en la energía de Helmholtz. Por lo tanto, estos sistemas se mueven en un camino espontáneo, para dar un valor A más bajo.
La energía libre de Gibbs está relacionada con los cambios que ocurren a presión constante. Cuando la energía térmica se transfiere a presión constante, solo hay trabajo de expansión; por lo tanto, modificamos y escribimos la ecuación 2 de la siguiente manera.
TdS ≥dH
Esta ecuación se puede reorganizar para dar dH-TdS≤0. Con el término energía libre de Gibbs, G, esta ecuación se puede escribir como, G=H-TS
A temperatura y presión constantes, las reacciones químicas son espontáneas en la dirección de la disminución de la energía libre de Gibbs. Por lo tanto, dG ≤0
¿Qué es la energía libre estándar?
La energía libre estándar es la energía libre definida en condiciones estándar. Las condiciones estándar son temperatura, 298 K; presión, 1 atm o 101,3 kPa; y todos los solutos a una concentración de 1 M. La energía libre estándar se denota como Go.
¿Cuál es la diferencia entre energía libre y energía libre estándar?
• En química, la energía libre se denomina energía libre de Gibbs. Está relacionado con los cambios que ocurren a presión constante. La energía libre estándar es la energía libre definida en condiciones estándar.
• Por lo tanto, la energía libre estándar se da a una temperatura de 298 K y una presión de 1 atm, pero el valor de la energía libre puede cambiar según la temperatura y la presión.
