Jednostki energii swobodnej Helmholtza, sposób ich obliczania, rozwiązane ćwiczenia

4812
Simon Doyle

Plik Energia swobodna Helmholtza jest potencjałem termodynamicznym, który mierzy użyteczną pracę systemu zamkniętego w warunkach stałej temperatury i objętości. Wolna energia Helmholtza jest oznaczona jako fa y jest definiowane jako różnica energii wewnętrznej LUB minus iloczyn temperatury T przez entropię S:

F = U - T⋅S

Ponieważ jest to energia, jest mierzona w dżulach w układzie międzynarodowym (SI), chociaż innymi odpowiednimi jednostkami mogą być również ergy (CGS), kalorie lub elektronowolty (eV).

Rysunek 1. Definicja energii Helmholtza. Źródło: Pixabay.

Ujemna zmiana energii Helmholtza podczas procesu jest utożsamiana z maksymalną pracą, jaką system może wykonać w procesie izochorycznym, to znaczy przy stałej objętości. Gdy głośność nie jest utrzymywana na stałym poziomie, część tej pracy można wykonać w środowisku.

W tym przypadku mówimy o pracy, w której objętość się nie zmienia, na przykład praca elektryczna: dW = Φdq, gdzie Φ jest potencjałem elektrycznym i q jest ładunkiem elektrycznym.

Jeśli temperatura jest również stała, energia Helmholtza jest minimalizowana po osiągnięciu równowagi. W tym wszystkim energia Helmholtza jest szczególnie przydatna w procesach o stałej objętości. W tym przypadku masz:

- W przypadku procesu spontanicznego: ΔF < 0

- Gdy system jest w równowadze: ΔF = 0

- W procesie niespontanicznym: ΔF> 0.

Indeks artykułów

  • 1 Jak obliczana jest energia swobodna Helmholtza??
    • 1.1 Procesy spontaniczne
  • 2 ćwiczenia rozwiązane
    • 2.1 Ćwiczenie 1
    • 2.2 Ćwiczenie 2
  • 3 Odnośniki

Jak obliczana jest energia swobodna Helmholtza??

Jak stwierdzono na początku, energia Helmholtza jest definiowana jako „energia wewnętrzna U układu pomniejszona o iloczyn temperatury bezwzględnej T układu przez entropię S układu”:

F = U - T⋅S

Jest to funkcja temperatury T i objętości V. Kroki do wizualizacji tego są następujące:

- Wychodząc z pierwszej zasady termodynamiki, energia wewnętrzna U jest powiązana z entropią S układu i jego objętością V dla procesów odwracalnych poprzez zależność różniczkową:

dU = dQ - dW = TdS - PdV

Z tego wynika, że ​​energia wewnętrzna U jest funkcją zmiennych S Y V, A zatem:

U = U (S, V)

- Teraz zajmiemy się definicją fa i pochodzi:

dF = dU - d (TS) = dU - TdS - SdT

- Podstawiając tam wyrażenie różniczkowe otrzymane za dU w pierwszym kroku, pozostaje:

dF = TdS - PoV - TdS - SdT = -SdT - PoV

- Ostatecznie stwierdza się, że F jest funkcją temperatury T i objętości V i można ją wyrazić jako:

F = F (T, V)

Ryc. 2. Hermann von Helmholtz (1821-1894), niemiecki fizyk i lekarz, uznany za wkład w rozwój elektromagnetyzmu i termodynamiki, między innymi. Źródło: Wikimedia Commons.

Procesy spontaniczne

Energię Helmholtza można zastosować jako ogólne kryterium spontaniczności w systemach izolowanych, ale najpierw wygodnie jest sprecyzować kilka pojęć:

- ZA system zamknięty może wymieniać energię z otoczeniem, ale nie może wymieniać materii.

- Zamiast tego system izolowany nie wymienia materii ani energii z otoczeniem.

- Wreszcie a otwarty system wymienia materię i energię ze środowiskiem. 

Rysunek 3. Układy termodynamiczne. Źródło: Wikimedia Commons. FJGAR (BIS) [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)].

W procesach odwracalnych zmianę energii wewnętrznej oblicza się w następujący sposób:

dU = TdS - PoV

Załóżmy teraz, że proces o stałej objętości (izochoryczny), w którym drugi człon poprzedniego wyrażenia ma zerowy udział. Należy również pamiętać, że zgodnie z Nierówność Clausiusa: 

dS ≥ dQ / T

Taka nierówność dotyczy izolowanego układu termodynamicznego.

Tak więc w przypadku procesu (odwracalnego lub nie), w którym objętość pozostaje stała, prawdziwe są następujące stwierdzenia:

T dS ≥ dU (przy stałej głośności)

Biorąc pod uwagę, że:

dF = dU - T dS 

Otrzymamy to w procesie izochorycznym w stałej temperaturze, że: dF ≤ 0, jak wskazano na początku.

Zatem energia F Helmholtza jest malejącą ilością w procesie spontanicznym, o ile jest to system izolowany. F osiąga swoją minimalną i stabilną wartość po osiągnięciu odwracalnej równowagi.

Rozwiązane ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Obliczyć zmianę swobodnej energii Helmholtza F dla 2 moli gazu doskonałego o temperaturze 300 K podczas izotermicznej ekspansji, która przenosi system z początkowej objętości 20 litrów do końcowej objętości 40 litrów.

Rozwiązanie

Wychodząc od definicji F:

F = U - T S

Wtedy skończona wariacja F, zwana ΔF, będzie wyglądać następująco:

ΔF = ΔU - T ΔS

Ponieważ stwierdzenie mówi, że temperatura jest stała: ΔT = 0. Otóż, w gazach doskonałych energia wewnętrzna zależy tylko od ich temperatury bezwzględnej, ale ponieważ jest to proces izotermiczny ΔU = 0 Y ΔF = - T ΔS. Dla gazów doskonałych zmiana entropii procesu izotermicznego jest zapisana w następujący sposób: 

ΔS = n.R.ln (Vdwa/ V1)

Stosując to wyrażenie:

ΔS = 2 mole x 8,314 J / (K-mol) x ln (40 l / 20 l) = 11,53 J / K

Wreszcie zmiana energii Helmholtza to:

ΔF = - T ΔS = - 300 K x 11,53 J / K = -3457,70 J.

Ćwiczenie 2

Wewnątrz cylindra znajduje się tłok, który dzieli go na dwie sekcje i po każdej stronie tłoka znajdują się n moli jednoatomowego gazu doskonałego, jak pokazano na poniższym rysunku.

Ściany cylindra są dobrymi przewodnikami ciepła (diatermicznymi) i stykają się ze zbiornikiem temperatury T.lub.

Początkowa objętość każdej sekcji cylindra wynosi V.1i i V2i, podczas gdy jego końcowe tomy to V1f i V2f po quasi-statycznym przemieszczeniu. Tłok jest poruszany za pomocą tłoka, który hermetycznie przechodzi przez dwie nasadki cylindra.

Należy znaleźć:

a) Zmiana energii wewnętrznej gazu i praca wykonana przez system oraz

b) Zmienność energii Helmholtza.

Rozwiązanie

Ponieważ tłok porusza się quasi-statycznie, siła zewnętrzna przyłożona do tłoka musi równoważyć siłę wynikającą z różnicy ciśnień w dwóch sekcjach cylindra..

Rysunek 4. Zmiana energii swobodnej F w cylindrze z dwoma komorami. Źródło: F. Zapata.

Praca dW wykonywane przez siłę zewnętrzną fawew podczas nieskończenie małego przesunięcia dx to jest:

dW = - Fwew dx = (P1 - P.dwa) a dx = P1 dV1 + P.dwa dVdwa

Gdzie została wykorzystana relacja dV1 = - dVdwa = dx, istota do obszar tłoka. Z drugiej strony zmienność energii Helmholtza to: 

dF = -SdT - PdV

Ponieważ temperatura nie zmienia się podczas tego procesu dT = 0 Y dF = - PoV. Stosując to wyrażenie do każdej sekcji cylindra, mamy:

dW = P1 dV1 + P.dwa dVdwa = - dF1 - dFdwa

Istota fa1  Y fadwa energie Helmholtza w każdej z komór.

Skończoną pracę W można obliczyć ze skończonej zmiany energii Helmholtza w każdej komorze:

W = -ΔF1 - ΔFdwa

Rozwiązanie b

Aby znaleźć zmianę energii Helmholtza, stosuje się definicję: F = U - T S. Jak w każdej komorze występuje jednoatomowy gaz doskonały o stałej temperaturze Tlub, energia wewnętrzna nie zmienia się (ΔU = 0), więc: ΔF = - Tlub ΔS. Co więcej:

ΔS = nR ln (Vfa/Widział)

To, że zastępowanie pozwala w końcu wykonać pracę: 

W = -Tlub nR ln (V1f / V1i) -To nR ln (V2f / V2i) = -ΔF1 -ΔFdwa

W = - To nR ln [(V1f ⋅ V1i) / (V2f .V2i)] = - ΔFcałkowity

Istota ΔFcałkowity całkowita zmiana energii Helmholtza.

Bibliografia

  1. Kasztany E. Ćwiczenia darmowej energii. Odzyskany z: lidiaconlaquimica.wordpress.com
  2. Libretexts. Helmholtz Energy. Źródło: chem.libretexts.org
  3. Libretexts. Co to są darmowe energie. Źródło: chem.libretexts.org
  4. Wikipedia. Energia Helmholtza. Odzyskany z: es.wikipedia.com
  5. Wikipedia. Energia swobodna Helmholtza. Odzyskany z: en.wikipedia.com

Jeszcze bez komentarzy