Förstå Helmholtz Free Energy
Helmholtz Free Energy (A) är en termodynamisk potential som representerar den maximala mängden arbete som kan extraheras från ett stängt system vid konstant temperatur och volym. Det definieras som:
* a =u - ts
Där:
* a är Helmholtz gratis energi
* u är systemets inre energi
* t är temperaturen
* s är entropin
derivat för en idealisk gas
1. Intern energi (U): För en idealisk gas beror den inre energin endast på temperaturen och ges av:
* u =(f/2) * nrt
* Var:
* F är antalet frihetsgrader (3 för monatomiska, 5 för diatomiska, etc.)
* n är antalet mol
* R är den perfekta gaskonstanten
* T är temperaturen
2. entropi (er): Entropin för en idealisk gas kan beräknas med Sackur-Tetrode-ekvationen:
* s =nr [ln (v/n) + (5/2) ln (t) + (f/2) ln (m) + konstant]
* Var:
* V är volymen
* m är den molmassan
3. Kombinera uttryck: Ersätt uttryck för u och s i Helmholtz Free Energy -ekvation:
* a =(f/2) nrt - t [nr (ln (v/n) + (5/2) ln (t) + (f/2) ln (m) + konstant)]
* a =nrt [(f/2) - ln (v/n) - (5/2) ln (t) - (f/2) ln (m) - konstant]
förenkla resultatet
Den ständiga termen i entropiuttrycket påverkar inte förändringen i Helmholtz -fri energi, så det utelämnas ofta. Vi kan ytterligare förenkla uttrycket:
* a =nrt [(f/2) - ln (v/n) - (5/2) ln (t) - (f/2) ln (m)]
Nyckelpunkter
* konstant temperatur och volym: Helmholtz -fri energi är särskilt användbar för processer som inträffar vid konstant temperatur och volym.
* Arbeta med konstant volym: Förändringen i Helmholtz Free Energy representerar direkt det maximala arbetet som kan erhållas från ett system med konstant volym.
* spontana processer: En spontan process vid konstant temperatur och volym kommer alltid att resultera i en minskning av Helmholtz -fri energi.
Exempel
Låt oss säga att du har 1 mol av en idealisk monatomisk gas (F =3) vid 298 K och 1 L volym. Vi kan beräkna Helmholtz Free Energy:
* A =(1 mol) (8.314 J/mol* K) (298 K) [(3/2) - ln (1 l/1 mol) - (5/2) ln (298 K) - (3/2) ln (m)]
* a =-11996 j/mol (ca.)
Kom ihåg: Det specifika värdet på Helmholtz -fri energi beror på de specifika förhållandena (temperatur, volym, antal mol och typ av gas).
