Importancia física de UUU (Energía interna), HHH (Entalpía), FFF (Energía libre) y GGG (Energía libre de Gibbs)? [cerrado]

Formalmente, esas cantidades -- energía libre de Helmholtz$F(T, V, N)$, energía libre de Gibbs$G(P, T, N)$y entalpía$H(P, V, N)$-- son transformadas de Legendre de la energía interna$U(S, V, N)$. Esto sirve para el propósito de tratar un sistema termodinámico considerando diferentes cantidades como variables independientes, como ha mencionado. El significado físico de esos potenciales termodinámicos, entonces, tiene que ver con los diversos tipos de restricciones que uno puede imponer a un sistema y cómo estas restricciones influyen en el estado de equilibrio.

Primero, consideremos la que consideras más significativa físicamente, la energía interna. Cuando un sistema está aislado térmicamente, es decir, no puede intercambiar calor con su entorno y, en términos generales, su entropía debe permanecer constante, sabemos que el estado de equilibrio alcanzado por el sistema es el estado de energía interna mínima (esa afirmación es equivalente a la más difundida que dice que en un sistema aislado, que no puede intercambiar energía de ningún tipo con su entorno, el estado de equilibrio maximiza la entropía). Entonces, la energía interna realmente parece ser lo que uno espera que sea: es la cantidad que es extremada por un sistema que no puede intercambiar calor con su entorno, al igual que en la mecánica clásica, la energía potencial es extremada en el estado de equilibrio. La afirmación de que la energía interna es una medida de la energía cinética y, por lo tanto, de la temperatura está demasiado simplificada y en realidad solo se aplica al gas ideal clásico, donde se ignoran todas las interacciones entre los constituyentes del gas. En una descripción más general, esencialmente la energía interna es realmente la energía total (teniendo en cuenta la cinéticay energía potencial) almacenada en el sistema.

Ahora, imagina que en lugar de dejar el sistema aislado térmicamente, es decir, manteniendo su entropía constante, lo pones en contacto con un baño termal que mantiene fija su temperatura . Ahora bien, ni la energía interna ni la entropía se mantienen constantes en el sistema; el sistema tenderá entonces a alcanzar un estado físico en el que extremiza una cantidad que reúne tanto la entropía como la energía interna, y esta resulta ser exactamente la energía libre de Helmholtz.

La energía libre de Helmholtz también se puede interpretar como una medida de la energía "útil" que se puede extraer de un sistema a temperatura constante; el trabajo que se puede extraer de un sistema a temperatura constante solo puede ser menor o igual a (menos ) el cambio en la energía libre de Helmholtz. A continuación, puede intentar interpretar la fórmula.$F = U - TS$como expresión de la energía total del sistema ($U$), menos la energía "inútil" almacenada de forma desordenada que contribuye a la entropía ($TS$). La energía libre de Helmholtz juega un papel central en el conjunto canónico, y también en la teoría de las transiciones de fase de segundo orden de Landau; es posible que desee echar un vistazo a estos temas también.

Imagine ahora que pone su sistema en contacto con un depósito de presión (el análogo de un baño termal, si desea mantener constante la presión en su sistema). Esencialmente, lo que eso significa es que el sistema ahora puede intercambiar trabajo mecánico con su entorno, y eso tiene el efecto de influir en cómo el sistema alcanza su estado de equilibrio. Hablando en términos generales, en ese caso, lo que desea extremar es la energía interna del sistema, más la cantidad de trabajo que se tuvo que realizar contra el depósito de presión para poner el sistema en esa configuración, y eso es exactamente lo que se tiene en cuenta. porque en la entalpía$H = U + PV$; si desea una explicación más rápida, consulte la respuesta mencionada anteriormente ¿ Qué es exactamente la entalpía? .

En cuanto a la energía libre de Gibbs, siguiendo lo escrito anteriormente, es especialmente útil cuando el sistema puede intercambiar tanto calor como trabajo con su entorno, el cual se debe considerar ahora como un reservorio tanto de presión como de temperatura . Ahora, está tomando en cuenta los dos efectos descritos anteriormente: la energía interna total$U$, la energía "inútil" perdida por el desorden del sistema$-TS$, y el trabajo realizado contra el depósito de presión$PV$. Realmente te recomiendo que revises las respuestas en la intuición de energía libre de Gibbs para una descripción más profunda de eso.

U, F, G y H a veces se denominan potenciales termodinámicos. Una buena explicación (en mi opinión) del significado físico de estas propiedades en relación con la entropía (S) y el trabajo del sistema se puede encontrar en el sitio web de Hiperfísica en "Potenciales termodinámicos".

Espero que esto ayude.