Номер 2, страница 248, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

2. Что такое свободная энергия?

2. Что такое свободная энергия?

Свободная энергия (также известная как термодинамический потенциал) — это характеристическая функция состояния термодинамической системы, которая показывает, какая часть внутренней энергии системы может быть преобразована в работу при определённых условиях (например, при постоянной температуре). Эта величина является фундаментальной для определения направления самопроизвольного протекания процессов и установления состояния равновесия.

В термодинамике выделяют два основных вида свободной энергии:

1. Свободная энергия Гельмгольца (F или A)

Также называется изохорно-изотермическим потенциалом. Она применяется для анализа процессов, происходящих при постоянных температуре ($\text{T}$) и объеме ($\text{V}$). Свободная энергия Гельмгольца определяется по формуле:

$F = U - TS$

где $\text{U}$ — внутренняя энергия системы, $\text{T}$ — абсолютная температура, а $\text{S}$ — энтропия.

Убыль свободной энергии Гельмгольца ($-\Delta F$) в обратимом изотермическом процессе равна максимальной работе, которую может совершить система. Процесс в системе с постоянными $\text{T}$ и $\text{V}$ будет протекать самопроизвольно, если свободная энергия Гельмгольца уменьшается ($\Delta F < 0$). Состояние равновесия достигается при минимальном значении $\text{F}$ ($\Delta F = 0$).

2. Свободная энергия Гиббса (G)

Также называется изобарно-изотермическим потенциалом или энергией Гиббса. Этот потенциал наиболее важен для химии, так как большинство химических реакций протекает при постоянных температуре ($\text{T}$) и давлении ($\text{P}$). Энергия Гиббса определяется как:

$G = H - TS = U + PV - TS$

где $\text{H}$ — энтальпия системы, $\text{P}$ — давление, $\text{V}$ — объем.

Убыль энергии Гиббса ($-\Delta G$) в обратимом процессе при постоянных $\text{T}$ и $\text{P}$ равна максимальной полезной работе (т.е. всей работе, кроме работы расширения). Изменение энергии Гиббса служит критерием самопроизвольности процессов в этих условиях:

- Если $\Delta G < 0$, процесс является самопроизвольным (экзергоническим).

- Если $\Delta G > 0$, процесс несамопроизволен в прямом направлении, но самопроизвольно протекает в обратном (эндергонический).

- Если $\Delta G = 0$, система находится в состоянии равновесия.

Ответ: Свободная энергия — это часть полной энергии системы, которая может быть использована для совершения работы при постоянной температуре. Различают свободную энергию Гельмгольца ($F = U - TS$), используемую для процессов при постоянных температуре и объеме, и свободную энергию Гиббса ($G = H - TS$), используемую при постоянных температуре и давлении. Уменьшение свободной энергии ($\Delta F < 0$ или $\Delta G < 0$) является критерием самопроизвольного протекания процесса в данных условиях.