Energias Livres e Transformadas de Legendre

Energias livres são potenciais termodinâmicos obtidos pela transformação de Legendre da energia interna, cada uma minimizada no equilíbrio sob as restrições que lhe são naturais.

Definition

Uma energia livre é um potencial termodinâmico formado pela transformação de Legendre da energia interna em relação a uma ou mais variáveis extensivas, resultando em uma função das variáveis intensivas conjugadas que é minimizada no equilíbrio sob as restrições correspondentes.

Scope

Este tópico aborda a construção da entalpia, energia livre de Helmholtz, energia livre de Gibbs e o grande potencial como transformadas de Legendre da energia interna, suas variáveis naturais, as formas diferenciais que definem seus pares conjugados e os princípios de extremum que selecionam os estados de equilíbrio. A interpretação da energia livre como trabalho disponível é incluída.

Core questions

• Como uma transformada de Legendre troca uma variável extensiva por sua variável intensiva conjugada?
• Por que cada energia livre é minimizada no equilíbrio para suas próprias variáveis naturais?
• Como a energia livre quantifica o trabalho máximo extraível sob dadas restrições?
• Quais são as variáveis naturais da entalpia, Helmholtz, Gibbs e grandes potenciais?

Key concepts

• Transformada de Legendre e variáveis conjugadas
• Entalpia e variáveis naturais
• Energia livre de Helmholtz em temperatura e volume fixos
• Energia livre de Gibbs em temperatura e pressão fixas
• Grande potencial e o potencial químico

Clinical relevance

As energias livres determinam a espontaneidade e o equilíbrio das reações químicas e mudanças de fase, estabelecem o trabalho útil máximo que pode ser obtido de um processo e fornecem a ponte para a mecânica estatística através da função de partição.

History

O conceito de energia livre surgiu com o trabalho de Helmholtz em 1882 sobre a energia disponível para trabalho e a formulação anterior de Gibbs da função que agora leva seu nome, estabelecendo os potenciais minimizados sob restrições experimentais comuns.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Hermann von Helmholtz

Seminal works

• callen1985

Frequently asked questions

Por que é chamada de energia 'livre'?

Ela mede a porção da energia de um sistema que está livre para realizar trabalho útil sob as restrições dadas, em oposição à parte ligada ao termo de entropia que não pode ser extraída como trabalho em temperatura finita.