Kemiskolan - gratis kurs och test på nätet

Entropi och fri energi

Entropi har införts av Clausius under senare delen av 1800-talet som ett mått på förändringar genom värmetransport. Med begreppet entropi beskriver Clausius kvantitativt den erfarenhetslag som vi här kallat värmelagen. De viktigaste punkterna är:

• Värme sprids ut hela tiden så vi går mot ett tillstånd då det inte finns några temperaturskillnader, den så kallade "värmedöden"

• Universums entropi ökar vid utspridning av värme d v s ständigt

• Entropin har därför kallats "tidens pil"

• Entropin kan öka eller minska i ett system som utväxlar värme med sin omgivning. För system och omgivning tillsammans gäller alltid att entropin ökar

• Entropi är ett mått på oordningen i betydelsen utspridning av värme vilket ofta är det samma som utspridning av ämnespartiklar

• Vid smältning eller ångbildning ökar oordningen och därmed entropin i systemet

• Entropin hos ett system ökar med temperaturen

• Vid absoluta nollpunkten är entropin 0

• Entropi betecknas med bokstaven S

Den inre energin hos ett system kan ökas eller minskas genom att värme tillförs eller bortgår eller arbete tillförs eller uträttas. Jmfr saldot som kan ökas eller minskas om sedlar eller mynt insätts eller uttas. Energi är precis som saldo något abstrakt. Värme och arbete är något konkret.

Gibbs visade att det räcker med att ta hänsyn till ΔH och ΔS för systemet om man vill avgöra om en reaktion sker spontant. För att avgöra om en reaktion sker spontant kan man beräkna ändringen i Gibbs fria energi ΔG. Om vid en reaktion ΔG = ΔH - T · ΔS är mindre än 0 så sker denna reaktion spontant. ΔG är det maximala arbete som systemet tar emot då reaktionen sker. Om ΔG < 0 så betyder det att reaktionen sker spontant och att arbete avges till omgivningen.

Absoluta temperaturen T har alltid ett positivt värde. Därför blir ΔG alltid negativt om ΔH är negativt och ΔS är positivt. Alla exoterma reaktioner som leder till ökad oordning i systemet sker därför spontant. Om reaktionen leder till ökad ordning i systemet är värdet på ΔS negativt och då kan reaktionen också ske spontant om T inte är för stort som t ex vid stelning.

För endoterma reaktioner är alltid ΔH > 0. Då krävs ökad oordning (ΔS > 0) och ett högt värde på T för att reaktionen ska ske spontant som t ex ångbildning. Endoterma reaktioner leder aldrig till ökad ordning i systemet. Om ΔH > 0 och ΔS < 0 blir ju alltid ΔG > 0 och en sådan reaktion kan aldrig ske spontant.

Vi kan sammanfatta i följande tabell:

I denna tabell är det värdena för systemet som avses och inte värdena för system med omgivning. För hela universum gäller ju att entropin ökar vid varje spontan process. Dessutom måste temperaturen hållas konstant för att Gibbs teori ska kunna tillämpas. I den kemiska termodynamiken behandlas sådana reaktioner som sker under andra villkor. Vi har här begränsat oss till den vanligaste situationen nämligen att reaktioner får ske i öppna kärl.

Om man vill beräkna ändringen i Gibbs fria energi för en reaktion är det enklast att använda tabellvärden. Gibbs fria standardbildningsenergi definieras analogt med definitionen av standardbildningsentalpi. Därför gäller att

Δ_rG^o = Δ_fG^o(produkter) - Δ_fG^o(reaktanter)

Även entropivärden tabelleras. Vi kan använda absoluta värden på S för värdet är definitionsmässigt 0 vid absoluta nollpunkten. För en reaktion gäller

Δ_rS^o = S^o(produkter) - S^o(reaktanter)

Denna sida finns på Kemiskolan på Chemistry for Free (www.chem4free.info)