Energia libera

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In termodinamica, l'energia libera di un sistema è la quantità di lavoro macroscopico che il sistema può compiere sull'ambiente. Essa è funzione della temperatura, della pressione e della concentrazione della specie chimica considerata.

L'energia libera parziale molare di una specie chimica a temperatura (T), pressione (p) e composizione costanti all'interno di un sistema a molti componenti è detto potenziale chimico di quella specie.

Secondo la IUPAC un processo che comporta un incremento di energia libera si dice endoergonico, se implica diminuzione si dice esoergonico.

L'energia libera può essere definita in due modi differenti, ottenendo due differenti funzioni di stato termodinamiche: l'energia libera di Helmholtz e l'energia libera di Gibbs.

Quando un sistema di entità chimiche (molecole, ioni, radicali) subisce un cambiamento, ad esempio per una reazione chimica o per una transizione di fase, ci sono due grandezze che tendono ad avere due comportamenti opposti:

  • l'energia libera tende a decrescere raggiungendo un minimo (stato di equilibrio);
  • l'entropia tende a crescere.

Se con U si indica l'energia interna, con T la temperatura e con S l'entropia, questi due comportamenti sono semplicemente scrivibili con la funzione di Helmholtz:[1]

A = U - T S

Questa funzione di stato, però, è utilizzabile solo a volume costante (ad esempio in un contenitore chiuso). Se ci si trova, invece, a pressione costante (ad esempio un contenitore aperto, come avviene normalmente in natura), l'entalpia H = U + p V (dove p è la pressione e V il volume) va sostituita all'energia interna U, ottenendo così la quantità che deve essere minima, ovvero la funzione di stato di Gibbs:[2]. In termini matematici H è la trasformata di Legendre Ḷ(U,V) dell'energia interna U rispetto al volume V.

G = H - T S

In un sistema isolato, l'energia libera non può aumentare: rimane costante solo in caso di trasformazioni reversibili, negli altri casi diminuisce.

La diminuzione di G implica l'impossibilità di trasformazioni energetiche con rendimento unitario e quantifica la cosiddetta degradazione dell'energia. Stabilisce anche l'impossibilità di un di moto perpetuo di seconda specie. In una reazione chimica o una trasformazione di stato la sua diminuzione è indice della spontaneità del processo a T e p costanti.

In termini matematici A è la trasformata di Legendre Ḷ(U,S) dell'energia interna U rispetto all'entropia S, mentre G è la trasformata di Legendre Ḷ(U,S,V) dell'energia interna U rispetto all'entropia S ed al volume V.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Generalmente, mentre i fisici e gli ingegneri tendono ad indicare con F l'energia libera di Helmholtz, i chimici adottano la convenzione di indicarla con A.
  2. ^ Silvestroni, op. cit., p. 141

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Paolo Silvestroni, Fondamenti di chimica, 10ª ed., CEA, 1996, ISBN 8840809988.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]