Es importante tener en cuenta que la energía libre se usa en sistemas que no están aislados y que son libres de intercambiar energía (técnicamente denominados conjuntos canónicos). Entonces, tal vez, en esta discusión sería una buena idea imaginar un sistema, en contacto con sus alrededores, intercambiando energía alegremente.
Dos razones por las cuales la energía libre sería una buena descripción del sistema:
- La energía libre es extensa y depende directamente de los parámetros macroscópicos que se miden en los experimentos. La energía interna de un sistema, por otro lado, es muy complicada y requiere que calcules la energía de cada molécula para llegar a una expresión para ello. Eso suele ser muy difícil. La energía interna del sistema depende explícitamente solo del número de estados disponibles (la entropía) y el volumen. Esto es evidente a partir de la primera ley que es un diferencial en entropía y volumen, [math] dE = TdS-pdV [/ math]. Por supuesto que la entropía es una cantidad experimentalmente difícil de manejar, hace que esta expresión sea bastante inútil. Por otro lado, la energía libre definida por: [matemáticas] F = E-TS [/ matemáticas] implica más manejable. Su dependencia es transparente en la forma diferencial: [math] dF = -SdT-pdV, [/ math] que lo hace manifiestamente dependiente de la temperatura y el volumen.
- La energía libre es una cantidad que finalmente enseña un punto crítico en el equilibrio. De hecho, la energía libre de un sistema que intercambia energía, siempre está en sus mínimos. Esto es difícil de ver tampoco. Generalmente definimos la entropía como [matemáticas] S (E) = log (\ Omega (E)) [/ matemáticas]. Donde [math] \ Omega [/ math] es el número de estados disponibles en una energía [math] E [/ math]. Si el sistema tiene una energía [matemática] E [/ matemática] y el sistema ambiente + tiene una energía [matemática] E ‘[/ matemática], el número total de estados disponibles para el sistema y sus alrededores es simplemente [matemática] exp (S (E) + S (E’-E)). [/ Math] Una expansión de Taylor del segundo exponencial sobre [math] E ‘[/ math], da como resultado el número total de estados dados por [math] exp (-F) exp (S (E ‘)) [/ math]. Como [math] E ‘[/ math] es una constante, no podemos hacer mucho sobre el segundo término. Sin embargo, el primer término es dinámico. En equilibrio, es más probable que el sistema se encuentre con energías que tienen una gran cantidad de estados correspondientes. Esto significa que F se minimiza en equilibrio
¡Espero que esto ayude!
- ¿Cuál es la evidencia de la ley de conservación de la energía?
- ¿Existe una manera efectiva y eficiente de aprovechar la 'energía térmica' producida por un motor de automóvil a base de gasolina?
- ¿Qué tipos de energía transporta un electrón? ¿Un electrón transporta solo energía mecánica u otras formas de energía también?
- ¿Cuánta tierra requiere 1 gigavatio de energía eólica?
- ¿Podemos tener vida sin combustibles fósiles?