Termodinamička slobodna energija je količina rada koju može izvršiti termodinamički sistem. Koncept je koristan u termodinamici hemijskih ili termičkih procesa u inženjerstvu i nauci. Slobodna energija je unutrašnja energija sistema minus količina energije koja se ne može koristiti za obavljanje posla. Ovu zanimljivu energiju daje entropija sistema pomnožena temperaturom sistema.

Kao i unutrašnja energija, slobodna energija je termodinamička funkcija stanja. Energija je generalizacija slobodne energije, jer je energija sposobnost rada koja je slobodna energija.

Slobodna energija je taj dio bilo koje prve energije koja je dostupna za izvođenje termodinamičkog rada; tj. rad posreduje toplotnom energijom. Slobodna energija podleže nepovratnom gubitku tokom takvog rada. Pošto je energija prvog zakona uvijek konzervirana, evidentno je da je slobodna energija potrošna i da ta vrsta energije može obavljati rad u konačnom vremenu. Nekoliko slobodnih energetskih funkcija može se formulisati na osnovu kriterijuma sistema. Slobodne energetske funkcije su Legendre transformacije unutrašnje energije.

Značenje “slobodnog”

Osnovna definicija “energije” je mjera telesne (u termodinamičnosti, sistemu) sposobnosti izazivanja promjena. Na primer, kada osoba gurne tešku kutiju nekoliko metara napred, ta osoba koristi energiju tako što ju troši u obliku mehaničke energije, poznate i kao rad, u kutiji na udaljenosti od nekoliko metara napred. Matematička definicija ovog oblika energije je proizvod sile koja se vrši na objektu i rastojanja na kome se kutija pomjerila (Rad= Sila x Pređeni put). Pošto je osoba promjenila stacionarni položaj kutije, ta osoba je izvršila energiju na toj kutiji. Rad koji se primenjuje se takođe zove “korisna energija”, jer sva energija od osobe ide u pokretanje kutije. Budući da energija nije stvorena niti uništena, već je konzervisana (1. Zakon termodinamike), ona se konstantno pretvara iz jednog oblika u drugi. Za slučaj osobe koja gura kutiju, energija u obliku interne (ili potencijalne) energije dobijene metabolizmom pretvorena je u rad kako bi potisnula kutiju.

Ova konverzija energije, međutim, nije linearna. Drugim rečima, neka unutrašnja energija je ušla u guranje kutije, dok su se neke izgubile u vidu toplote (toplotne energije). Razlika unutrašnje energije koja je definisana U i energije koja je izgubljena tokom rada, obično je u obliku toplote, koja se može definisati kao proizvod apsolutne temperature T i entropije S (entropija je mjera poremećaja u sistemu, konkretnije mjera toplotne energije koja nije dostupna za obavljanje posla) tijela je ono što se zove “korisna energija” tijela, ili rad tela koji se obavlja na objektu. U termodinamici, to je ono što je poznato kao “slobodna energija”. Drugim riječima, slobodna energija je mjera rada (korisna energija) koju sistem može izvesti.

Matematički, slobodna energija se izražava kao:

slobodna energija = U-TS

Ovaj izraz znači da je slobodna energija razlika ukupne unutrašnje energije sistema, a energija koja nije dostupna za obavljanje posla, izmenjena apsolutnom temperaturom sistema, poznata i kao entropija .

U 18. i 19. vijeku, teorija toplote, tj. da je toplota oblik energije koja ima vezu sa vibracionim pokretom, počela je da zamjenjuje i kaloričku teoriju, tj. da je toplota fluid. Na sličan način, tokom ovih godina, toplota se počela razlikovati u različitim kategorijama, kao što su “slobodna toplota”, “kombinovana toplota”, “sjajna toplota”, specifična toplota, toplotni kapacitet, “apsolutna toplota”, “latentna toplota “,” slobodna”, itd.

Tako je, u tradicionalnoj upotrebi, pojam “slobodne energije” vezan za Gibbsovu slobodnu energiju, odnosno za sisteme pri konstantnom pritisku i temperaturi, ili Helmholtz slobodnu energiju, odnosno za sisteme na konstantnoj zapremini i temperaturi, znači “dostupna u obliku korisnog rada. “U vezi sa slobodnom energijom Gibbs-a, dodajmo kvalifikaciju da je to slobodna energija za rad bez zapremine.

Kao i kod opšteg koncepta energije, slobodna energija ima više definicija, u zavisnosti od uslova. U fizici, hemiji i biologiji, ovi uslovi su termodinamički parametri (temperatura T, zapremina V, pritisak P, itd.). Naučnici su došli do mnogih načina da definišu slobodnu energiju, a zadržavaju određene parametre od promjene; matematički izražena kao (Kada se temperatura i volumen zadržavaju konstantni, ovo je poznato kao Helmholtz slobodna energija A. Matematički izraz Helmholtzove slobodne energije je:

A = U-TS

Ova definicija slobodne energije je korisna u fizici za objašnjavanje ponašanja izolovanih sistema koji se čuvaju u stalnom volumenu. U hemiji, s druge strane, većina hemijskih reakcija se drži pod stalnim pritiskom. Pod ovim uslovima, toplota reakcije je jednaka entalpi H reakcije, ili sve energije povezane sa reakcijom. Na primjer, ako je istraživač želio da izvrši reakciju sagorjevanja u toplotnoj pumpi, pritisak se održava konstantno tokom reakcije po molu supstance sistema (reaktanti i proizvodi). Zbog toga je toplota reakcije direktna mjera entalpije H reakcije. U ovom slučaju, unutrašnja energija može biti mjera entalpije reakcije u pitanju (H = U). Tako je pod konstantnim pritiskom i temperaturom slobodna energija u reakciji poznata kao Gibbsova slobodna energija G.

slobodna energija u reakciji poznata je kao Gibbsova slobodna energija G.

G = H-TS
Eksperimentalna korisnost ovih funkcija ograničena je na uslove u kojima su određene varijable (T, V ili vanjske p) konstantne, iako imaju teorijski značaj u izradi Makswellovih relacija. Rad koji nije dV može se dodati, npr., Za elektrohemijske ćelije, ili dx radi u elastičnim materijalima i u kontrakciji mišića. Drugi oblici rada koji se ponekad moraju smatrati naponskim, magnetnim, kao što je slučaj sa adiabatskom demagnetizacijom koja se koristi u pristupu apsolutnoj nuli, i radi zbog električne polarizacije. Ovi su opisani tenzorima.

U većini slučajeva interesovanja postoji unutrašnji stepen slobode i procesa, kao što su hemijske reakcije i fazni prelazi, koji stvaraju entropiju. Čak i za homogene materijale, funkcije slobodne energije zavise od (često potisnutog) sastava, onih od svih odgovarajućih termodinamičkih potencijala (opsežnih funkcija), uključujući unutrašnju energiju.