Helmholtzova volná energie

Helmholtzova energie (nebo jednoduše volná energie ) je termodynamický potenciál , jehož ztráta v kvazistatickém izotermickém procesu se rovná práci vykonané systémem na vnějších tělesech.

Definice

Helmholtzova volná energie pro systém s konstantním počtem částic je definována takto:

${\mathcal {F}}=U-TS$ , kde je vnitřní energie , je absolutní teplota , je entropie . $U$ $T$ $S$

Diferenciál volné energie je tedy roven:

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

Je vidět, že tento výraz je totální diferenciál vzhledem k nezávislým proměnným a . Proto je Helmholtzova volná energie pro rovnovážný stav často vyjádřena jako funkce . $T$ $PROTI$ ${\mathcal {F}}={\mathcal {F}}(T,V)$

Pro systém s proměnným počtem částic je Helmholtzův diferenciál volné energie zapsán následovně:

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

kde je chemický potenciál a počet částic v systému. V tomto případě je Helmholtzova volná energie pro rovnovážný stav zapsána jako funkce . $\mu$ $N$ ${\mathcal {F}}={\mathcal {F}}(T,V,N)$

V souladu s doporučeními IUPAC lze Helmholtzovu energii v chemické termodynamice označit také jako A [1] .

Helmholtzova volná energie a stabilita termodynamické rovnováhy

Lze ukázat, že v systému s pevnou teplotou a objemem odpovídá poloha stabilní rovnováhy bodu minima Helmholtzovy volné energie. Jinými slovy, v tomto bodě (pro takový systém) nejsou možné žádné změny makroskopických parametrů.

Helmholtz volná energie a maximální práce

Helmholtzova volná energie dostala svůj název podle skutečnosti, že je to míra práce, kterou může termodynamický systém vykonat na vnějších tělesech.

Nechte systém jít od státu ke státu . Protože práce není funkcí stavu systému, bude práce vykonaná systémem v daném procesu záviset na cestě, na které se tento přechod odehrává. $jeden$ $2$

Stanovme si za cíl určit maximální práci, kterou systém v tomto případě může vykonat.

Lze ukázat, že tato maximální práce se rovná ztrátě Helmholtzovy volné energie:

$A_{max}^{f}=-\Delta {\mathcal {F))$ . Zde index f znamená, že uvažovaná veličina je celková práce systému v daném procesu (viz níže).

Volné energie Helmholtze a Gibbse

V aplikacích se „volná energie“ někdy neoznačuje jako Helmholtzova volná energie, ale jako Gibbsova energie . To je způsobeno skutečností, že Gibbsova energie je také měřítkem maximální práce, ale v tomto případě se uvažuje pouze práce na vnějších tělech, s výjimkou média:

$A_{max}^{u}=-\Delta G$ , kde je Gibbsova energie. $G$

Viz také

Poznámky

↑ anglicky. 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 a A. J. Thor,“ Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry", IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008) - str. 56.

Literatura

Bazarov I.P. Termodynamika. (nepřístupný odkaz) M.: Vysshaya shkola, 1991. 376 s.
Kvasnikov. IA Termodynamika a statistická fyzika. Teorie rovnovážných soustav, sv. 1. M.: Nakladatelství Moskevské státní univerzity, 1991. (2. vyd., Rev. a dodatek M.: URSS, 2002. 240 s.)
Sivukhin DV Obecný kurz fyziky. - M . : Nauka , 1975. - T. II. Termodynamika a molekulární fyzika. — 519 s.
Landau L. D. , Lifshitz E. M. Statistická fyzika. Část 1. - 3. vydání, příl. — M .: Nauka , 1976. — 584 s. - (" Teoretická fyzika ", svazek V).

Termodynamické potenciály
Vnitřní energie Entalpie Helmholtzova volná energie Gibbsova energie Velký termodynamický potenciál
Portál "Fyzika"