自由能

自由能,在热力学,energylike属性或状态函数一个系统的热力学平衡。自由能的维的能源,其价值是由系统的状态而不是它的历史。自由能用于确定系统如何变化,他们可以生产多少工作。它以两种形式表达:亥姆霍兹自由能F,有时也被称为功函数吉布斯自由能G。如果U是内部能量的一个系统,PV压力-容积产品,T年代温度-熵产品(T是温度以上绝对零度),然后F=U−T年代和G=U+PV−T年代。后者方程也可以书面形式G=H- - - - - -T年代,在那里H=U+PV是焓。自由能是一个广泛的财产,也就是说,它的大小取决于物质的数量在一个给定的热力学状态。

自由能的变化,ΔF或ΔG,是有用的在决定自发变化的方向和评估可以从热力学过程获得的最大工作涉及化学或其他类型的反应。在一个可逆过程最大的有用的工作,可以从系统获得恒定的温度和恒定体积等于(负面)亥姆霍兹自由能的变化,−ΔF=−ΔU+TΔ年代,最大的有用的工作在恒定的温度和常数压力(除了工作对大气)=(负面)吉布斯自由能的变化,−ΔG=−ΔH+TΔ年代。在每种情况下,TΔ年代熵项代表了系统从热源吸收的热量温度T系统最大工作条件下。通过能量守恒,总工作还包括内部能量的降低U或焓H视情况而定。例如,最大的能源电气工作的电池因为它排放都来自其内部能量的减少由于化学反应和热量TΔ年代它吸收为了保持温度不变,这是理想的最大热,可以吸收。对于任何实际电池,电功小于最大工作,和吸收的热量也会不足TΔ年代。

自由能的改变可以用来判断可能发生自发的变化状态。在恒定的温度和体积,自然会发生转换,缓慢或迅速,如果亥姆霍兹自由能是较小的最终状态的初始政绩斐然,如果Δ的区别F初始状态和最终状态之间的是负的。在恒定的温度和压力下,自发状态的转换将发生如果吉布斯自由能的变化,ΔG,是负的。

阶段转换提供有益的例子,当冰融化成水为0.01°C (T= 273.16 K),固体和液体阶段平衡。然后ΔH每克是= 79.71卡路里潜热的融合,通过定义Δ年代=^ΔH/_T每克∙K = 0.292卡路里熵的变化。它紧跟着ΔG=ΔH−TΔ年代是零,这表明这两个阶段是处于平衡状态,不能从相变中提取有用的工作(除了对大气中由于压强和体积的变化)。此外,ΔG是负的T> 273.16 K,这表明从冰自发变化的方向是水,和ΔG是正的T< 273.16 K,冻结的逆反应。