8: Laboratorietilstander og fri energi

I laboratoriet kan visse egenskaper til et delsystem kontrolleres med ytre betingelser. Generelt kan man kontrollere temperaturen, men ikke energien. Noen ganger er det også lettere å kontrollere trykket enn det er å kontrollere volumet. Når man ser på slike delsystemer i isolasjon, får de termodynamiske lovene en annen form som beskrives bedre med nye fundamentale funksjoner og ekstremverdiprinsipper; det er enten Helmholtz fri energi \(F = U − T S\) eller Gibbs fri energi \(G = H − T S = U + pV − T S\) som minimeres, avhengig av om det er henholdsvis volum eller trykk som kontrolleres utenfra. Dersom flere distinkte tilstander er mulige for et system, vil systemet innta den tilstanden som har lavest fri energi. Formen på definisjonene av F og G viser at det finnes en balanse mellom effekter som minimerer indre energi og effekter som maksimerer entropi, og at det er temperaturen som bestemmer hvilke effekter som dominerer: jo høyere temperatur, jo mer vil systemet gå mot å maksimere entropien.

Varmekapasiteter introduseres - disse er målbare størrelser som kan brukes til å finne energier, entalpier og entropier, som igjen kan brukes til å finne fri energi. Termodynamiske sykluser kan brukes som verktøy for å finne ukjente størrelser basert på kjente størrelser.