Serbest Enerjiler ve Legendre Dönüşümleri
Serbest enerjiler, iç enerjinin Legendre dönüşümü ile elde edilen termodinamik potansiyellerdir ve her biri, kendisine özgü kısıtlamalar altında denge durumunda minimize olmaktadır.
Tanım
Serbest enerji, iç enerjinin bir veya daha fazla yaygın değişkene (extensive variables) göre Legendre dönüşümü yapılarak oluşturulan bir termodinamik potansiyeldir; bu dönüşüm, eşlenik yoğun değişkenlerin (conjugate intensive variables) bir fonksiyonunu verir ve bu fonksiyon, ilgili kısıtlamalar altında denge durumunda minimize olmaktadır.
Kapsam
Bu konu, entalpi, Helmholtz serbest enerjisi, Gibbs serbest enerjisi ve büyük potansiyelin iç enerjinin Legendre dönüşümleri olarak oluşturulmasını, bunların doğal değişkenlerini, eşlenik çiftlerini tanımlayan diferansiyel formları ve denge durumlarını seçen ekstremum prensiplerini kapsamaktadır. Serbest enerjinin kullanılabilir iş olarak yorumlanması da dahil edilmiştir.
Temel sorular
- Legendre dönüşümü, yaygın bir değişkeni (extensive variable) eşlenik yoğun değişkeniyle (conjugate intensive variable) nasıl değiştirir?
- Her serbest enerji, kendi doğal değişkenleri için denge durumunda neden minimize olmaktadır?
- Serbest enerji, belirli kısıtlamalar altında çıkarılabilecek maksimum işi nasıl nicelendirir?
- Entalpi, Helmholtz, Gibbs ve büyük potansiyellerin doğal değişkenleri nelerdir?
Anahtar kavramlar
- Legendre dönüşümü ve eşlenik değişkenler
- Entalpi ve doğal değişkenler
- Sabit sıcaklık ve hacimde Helmholtz serbest enerjisi
- Sabit sıcaklık ve basınçta Gibbs serbest enerjisi
- Büyük potansiyel ve kimyasal potansiyel
Klinik önem
Serbest enerjiler, kimyasal reaksiyonların ve faz değişimlerinin kendiliğindenliğini ve denge durumunu belirlemekte, bir süreçten elde edilebilecek maksimum faydalı işi saptamakta ve bölüşüm fonksiyonu (partition function) aracılığıyla istatistiksel mekaniğe köprü sağlamaktadır.
Tarihçe
Serbest enerji kavramı, Helmholtz'un 1882'deki iş için kullanılabilir enerji üzerine yaptığı çalışma ve Gibbs'in kendi adını taşıyan fonksiyonun daha önceki formülasyonu ile ortaya çıkmış, böylece yaygın deneysel kısıtlamalar altında minimize olan potansiyelleri belirlemiştir.
Öne çıkan isimler
- J. Willard Gibbs
- Hermann von Helmholtz
İlgili konular
Temel eserler
- callen1985
Sıkça sorulan sorular
- Neden 'serbest' enerji olarak adlandırılır?
- Belirli kısıtlamalar altında faydalı iş yapmaya 'serbest' olan bir sistemin enerji kısmını ölçmektedir; bu, sonlu sıcaklıkta iş olarak çıkarılamayan, entropi teriminde bağlı kalan kısımdan farklıdır.