¿Cuál es la física detrás de la energía libre?

El concepto de energía libre como la energía disponible para hacer el trabajo se describe en la respuesta de Joshua Engel (Lea primero su respuesta: ¿Qué es la energía libre en física?). Deseo agregar algunos antecedentes y ejemplos para enfatizar cómo funciona la energía libre.

Fondo (tl; dr)

Todo lo que sucede, sucede porque aumenta la entropía del universo. Cualquier proceso que ocurre solo en la naturaleza ocurre porque aumenta la entropía total del universo. Esta es una manera elegante de decir que de todos los arreglos posibles en los que el universo podría haber estado, el arreglo real que se necesita es el que se puede lograr mediante abrumadoramente muchas configuraciones diferentes del universo. Por ejemplo, hay muchas más configuraciones de moléculas de gas en la habitación que dan una distribución (disposición) casi uniforme del aire en la habitación que las que hay para todas las moléculas de gas que se acumulan en una esquina de la habitación, asfixiándote. Entonces, el aire se encuentra en todas partes de la habitación, y no solo en una esquina. Si hubiera comenzado a bombear aire a una habitación vacía (leer vacío), se llenaría rápidamente la habitación para lograr esta distribución casi uniforme, que es un estado de alta entropía. Al igual que el aire en su habitación, cada sistema evoluciona de tal manera que maximiza la entropía del universo.

Un proceso es espontáneo si y solo si la entropía total del sistema y el entorno aumenta durante el proceso.
Si queremos saber si es probable que ocurra un proceso por sí solo (por ejemplo, ¿se enfriará el chocolate caliente en la taza de mi mesa si lo dejo allí?), Tenemos que hacer la pregunta: ‘¿Esto proceso aumentar la entropía del universo? Si la respuesta es sí, entonces el proceso ocurrirá por sí solo, es decir, es espontáneo. En el proceso de enfriamiento de mi chocolate caliente al emitir calor a los alrededores, suceden dos cosas: (1) El contenido de la taza se enfría y la entropía de la bebida disminuye y (2) La entropía de la atmósfera local a la que esto el calor se desprende aumenta. Debido a que el aire alrededor del chocolate caliente tiene más espacio para ser ‘desordenado’, el aumento de la entropía del medio ambiente es mucho más que la disminución de la entropía de la bebida. Entonces este proceso, a saber, el enfriamiento de mi chocolate caliente es espontáneo. Sucederá por sí solo.

Un proceso es espontáneo si y solo si la energía libre del sistema disminuye durante el proceso.
El cambio de energía libre de un sistema durante un proceso es una medida del cambio de entropía tanto del sistema como del medio ambiente durante el proceso. Cualquier proceso que aumente la entropía del universo disminuye la energía libre del sistema. Es conveniente pensar en términos de energía libre porque ya no tienes que molestarte con consideraciones de todo el universo; es suficiente mirar el cambio de energía libre del sistema que nos interesa.

Usando el concepto de energía libre – Ejemplos

1. Las bebidas calientes se enfrían : cuando una bebida caliente emite calor al medio ambiente, su entropía disminuye. Pero el calor emitido al medio ambiente aumenta la entropía del medio ambiente en una cantidad mayor que su disminución en la bebida. En general, la entropía aumenta y el proceso es espontáneo.

Observe el cambio en la energía libre (A = U – TS ) del sistema: el primer término es una medida de cuánto calor se perdió en el medio ambiente (es decir, el cambio de entropía del medio ambiente). El segundo término es una medida del cambio de entropía de la bebida. El primer término disminuye más que el segundo aumenta durante el proceso de enfriamiento del sistema y hay una reducción neta en la energía libre, por lo que el proceso es espontáneo. Piénselo la próxima vez que beba chocolate caliente caliente.

2. El agua se evapora, incluso por debajo del punto de ebullición : la evaporación realmente absorbe el calor del medio ambiente. El hecho de que ocurriera a todas las temperaturas fue una ligera sorpresa para mí, a quien le habían dicho una y otra vez que solo los procesos exotérmicos son espontáneos. ‘¿Por qué una pelota rueda cuesta abajo?’ ‘¡Porque eso reduce su energía, por supuesto!’
Durante la evaporación, el primer término en la energía libre aumenta a medida que el agua absorbe el calor de su entorno. El segundo término, -TS disminuye más que eso. Esto se debe a que las moléculas de agua que se evaporan son mucho más libres ahora y su entropía aumenta significativamente. La entropía total del universo aumenta y, de manera equivalente, la energía libre del sistema disminuye. La evaporación ocurre.

3. Reacciones químicas poco probables : al igual que en el ejemplo anterior, algunos procesos químicos que en realidad son endotérmicos, es decir, que absorben calor del ambiente, resultan espontáneos si los productos tienen una entropía más alta que los reactivos. Por ejemplo, el nitrato de amonio se disuelve espontáneamente en agua a temperatura ambiente, aunque este proceso es endotérmico.
NH4NO3 (s) + H2O (l) -> NH4 + (aq) + NO3- (aq)
Los productos son iones que son mucho más libres (leer, tienen una mayor entropía) que el nitrato de amonio sólido.
La energía libre de la reacción es negativa. (Ver cálculos aquí). Dichos cálculos de energía libre son utilizados habitualmente por los químicos como condición necesaria para la viabilidad de la reacción.

En resumen, el cambio de energía libre de un proceso da una indicación del cambio de entropía de todo el universo. Eso es conveniente si desea averiguar cuánto trabajo se puede extraer de un proceso y también decidir sobre la espontaneidad del proceso.

Solo para agregar a lo que ya se ha dicho.

En realidad, la energía nunca es gratis. Ya sea:

1. El consumidor de energía está pagando dinero al productor de energía.
2. Incluso si el dinero no está involucrado, la creación de energía crea entropía en alguna parte. La entropía es básicamente lo mismo que el paso del tiempo. Es una medida de desorden. Ejemplo: esa planta solar en California que produce energía solar “gratuita”, pero que todavía está matando pájaros.

En pocas palabras: no puede obtener algo sin pagarlo de alguna manera.

No sé acerca de la energía libre de Tesla, pero si hubiera una fuente de energía totalmente libre, tendríamos que reescribir esencialmente toda la física. Como lo muestra el Teorema de Noether, la no conservación de la energía implica que las leyes de la física no son constantes con respecto al tiempo. Lo que significa que no podemos confiar en ningún experimento realizado en el pasado. Lo que pone a la física en problemas profundos.