Energías Libres y Transformadas de Legendre

Las energías libres son potenciales termodinámicos obtenidos al transformar la energía interna mediante una transformada de Legendre, cada una minimizada en el equilibrio bajo las restricciones que le son propias.

Definition

Una energía libre es un potencial termodinámico formado al transformar la energía interna mediante una transformada de Legendre con respecto a una o más variables extensivas, lo que produce una función de las variables intensivas conjugadas que se minimiza en el equilibrio bajo las restricciones correspondientes.

Scope

Este tema abarca la construcción de la entalpía, la energía libre de Helmholtz, la energía libre de Gibbs y el gran potencial como transformadas de Legendre de la energía interna, sus variables naturales, las formas diferenciales que definen sus pares conjugados y los principios de extremum que seleccionan los estados de equilibrio. Se incluye la interpretación de la energía libre como trabajo disponible.

Core questions

• ¿Cómo intercambia una transformada de Legendre una variable extensiva por su variable intensiva conjugada?
• ¿Por qué cada energía libre se minimiza en el equilibrio para sus propias variables naturales?
• ¿Cómo cuantifica la energía libre el trabajo máximo extraíble bajo ciertas restricciones?
• ¿Cuáles son las variables naturales de la entalpía, Helmholtz, Gibbs y los grandes potenciales?

Key concepts

• Transformada de Legendre y variables conjugadas
• Entalpía y variables naturales
• Energía libre de Helmholtz a temperatura y volumen fijos
• Energía libre de Gibbs a temperatura y presión fijas
• Gran potencial y el potencial químico

Clinical relevance

Las energías libres determinan la espontaneidad y el equilibrio de las reacciones químicas y los cambios de fase, establecen el trabajo útil máximo que se puede obtener de un proceso y proporcionan el puente a la mecánica estadística a través de la función de partición.

History

El concepto de energía libre surgió con el trabajo de Helmholtz de 1882 sobre la energía disponible para el trabajo y la formulación anterior de Gibbs de la función que ahora lleva su nombre, estableciendo los potenciales minimizados bajo restricciones experimentales comunes.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hermann von Helmholtz

Seminal works

• callen1985

Frequently asked questions

¿Por qué se llama energía 'libre'?

Mide la porción de la energía de un sistema que está libre para realizar trabajo útil bajo las restricciones dadas, a diferencia de la parte ligada al término de entropía que no puede extraerse como trabajo a temperatura finita.