Energía Libre

La energía libre (También llamada energía libre termodinámica), al igual que la energía interna, se refiere a un tipo de energía que opera a nivel microscópico y que además, se manifiesta como la cantidad de trabajo que un sistema puede llevar a cabo. Dicho de manera más sencilla, es aquella parte de la energía total de un sistema termodinámico capaz de transformarse en otros tipos de energía.

En el campo de la física, la química y la ingeniería, la energía libre termodinámica permite estudiar las reacciones físico-químicas de los materiales bajo cualquier tipo de condiciones. Claro está, para ello se basan en los principios de la termodinámica, donde se considera que la energía libre es la diferencia resultante entre la energía interna de un cuerpo y la cantidad de energía que no puede utilizar para llevar a cabo trabajo.

El sol

A partir de esta premisa, la energía libre se ha separado en tres formas distintas conocidas como “potenciales termodinámicos”. Así, los tipos de energía libres de la termodinámica son la Energía interna, la energía libre de Gibbs, la energía libre de Helmholtz y la entalpía. Según el Sistema Internacional, la energía libre se mide en unidad de J/mol.

Se debe tomar en cuenta que la energía libre no se puede apreciar a simple vista, ya que es un fenómeno termodinámico que se manifiesta a escalas microscópicas y se estudia a partir de sistemas termodinámicos. Debido a esto, la verdadera forma de verse en el mundo real es a través de su conversión en otros tipos de energía como la energía eléctrica, química, térmica, etc.

Potenciales termodinámicos de la energía libre

Como recién explicamos, existen cuatro interpretaciones distintas de la energía libre termodinámica según los parámetros utilizados para estudiar un sistema. A continuación explicamos cada uno de ellos.

Energía interna


La energía interna, es un tipo de energía libre termodinámica que tienen los sistemas sin necesidad de acudir a la energía del exterior. Es decir, es la energía necesaria para formar un sistema termodinámico sin absorber energía de su medio inmediato en forma de temperatura o volumen. Usualmente, la energía interna es simbolizada como “U” en la termodinámica.

La energía interna se calcula por medio de la siguiente expresión matemática:

\[ \Delta U = Q – W \]

En esta ecuación:

  • ΔU = Energía interna
  • Q = Energía que entra al sistema.
  • W = Energía que sale del sistema.

Energía libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs (anteriormente conocida como energía disponible), también llamada entalpía libre, es el potencial termodinámico empleado para describir cuál es la cantidad máxima de trabajo reversible que puede llevar a cabo un sistema termodinámico sometido a presión y temperatura constante.

Explicado de otra manera, se refiere a la cantidad límite de trabajo que puede llevar a cabo un sistema termodinámico cerrado (un sistema que puede dar y ceder energía a su entorno, pero no materia).

La energía de Gibbs se representa simbólicamente como “G” en la termodinámica, se calcula por medio de la siguiente fórmula matemática.

\[ G = H – T*S \]

En esta ecuación:

  • G = Energía libre de Gibbs
  • H = Entalpía del Sistema termodinámico en estudio.
  • T = Temperatura absoluta del Sistema termodinámico en estudio.
  • S = Entropía final.

Energía libre de Helmholtz

La energía libre de Helmholtz (también conocida como función trabajo), es el potencial termodinámico utilizado para determinar la cantidad de trabajo que puede llevar a cabo un sistema termodinámico bajo condiciones de temperatura y presión constante. A diferencia de la energía libre de Gibbs, en este caso no se toma en cuenta el proceso de transformación del sistema, ya que solo importa el estado inicial y final del sistema.

Este tipo de energía suele ayudar a determinar cuándo un sistema lleva a cabo trabajo, ya que cualquier cambio de temperatura significará que parte del trabajo lo ha llevado a cabo el entorno que rodea el sistema termodinámico.

La energía libre de Helmholtz se representa con la letra “F” y se calcula mediante la siguiente ecuación matemática:

\[ F = U – T*S \]

En esta ecuación:

  • G = Energía libre de Helmholtz.
  • U = Energía interna del Sistema termodinámico en estudio.
  • T = Temperatura absoluta del Sistema termodinámico en estudio.
  • S = Entropía final.

Entalpía


La entalpía es un potencial termodinámico representado como “H”, y se define como la cantidad de energía que se necesita para crear un sistema termodinámico junto al trabajo llevado a cabo para formarlo. Dicho de manera sencilla, es la energía que un sistema termodinámico cambia con su entorno.

La entalpía se puede calcular matemáticamente a través de la siguiente ecuación:

\[ H = U – P*V \]

En esta ecuación:

  • H= Entalpía.
  • U = Energía interna del Sistema termodinámico.
  • P = Presión del Sistema termodinámico.
  • V = Volumen del Sistema termodinámico.