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 di una specie chimica a concentrazione costante all'interno di un sistema a molti componenti è definita come il potenziale chimico di quella specie. 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: l'energia libera di Helmholtz e l'energia libera di Gibbs.

Quando un sistema di molecole subisce un cambiamento, ad esempio per una reazione chimica o per un cambio di fase, ci sono due grandezze che tendono ad avere due comportamenti opposti:

l'energia libera tende a decrescere;
l'entropia tende a crescere.

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

A = E - T S

Questa funzione, però, è valida solo a volume costante (ad esempio in un contenitore chiuso). Se ci si trova, invece, a pressione costante (ad esempio un contenitore aperto), l'entalpia H = E + P V (dove P è la pressione e V il volume) sostituisce l'energia, ottenendo così la quantità che deve essere minima, ovvero la funzione di Gibbs:

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 sempre con rendimento 1 e quantifica la cosiddetta degradazione dell'energia. Stabilisce anche l'impossibilità di un moto perpetuo di seconda specie. Generalmente, mentre i fisici tendevano ad indicare con F l'energia libera di Helmholtz e con G quella di Gibbs, i chimici adottano la convenzione di A e F rispettivamente. Recentemente si è adottata una convenzione comune: A per Helmholtz, G per Gibbs, o a volte anche F.