آزاده ترموډینامیکي انرژي

آزاده ترموډینامیکي انرژي هغه مفهوم دی چې په انجینرۍ او ساینس کې د کیمیاوي یا حرارتي بهیرونو کې په ترموډینامیک کې کارول کېږي. په آزاده انرژي کې بدلون د کار اعظمي مقدار دی چې یو ترموډینامیکي سیستم یې کولای شي، د تودوخې په ثابته درجه کې په یوه پروسه کې ترسره کړي او نښه یې څرګندوي چې آیا نوموړې پروسه د ترموډینامیک له نظره مطلوبه ده یا که منع ده. لکه څنګه چې آزاده انرژي معمولاً پوتنشیل انرژي لري، مطلقه نه ده، بلکې د صفري نقطې په ټاکلو پورې اړه لري، نو ځکه یوازې د آزادې انرژۍ نسبي ارزښتونه یا په آزاده انرژي کې بدلونونه د فزیک له نظره معنا لرونکي دي.   

آزاده انرژي د ترموډینامیک حالت تابع ده، لکه داخلي انرژي، انتالپي (فعال حرارت) او انتروپي.      

آزاده انرژي د ترموډینامیک لومړي قانون د هرې انرژۍ هغه برخه ده چې د تودوخې په ثابته درجه کې د ترموډینامیکي کار د ترسره کولو لپاره موجوده ده، یعنې هغه کار چې د تودوخې انرژي په منځګړیتوب ترسره کېږي. آزاده انرژي د داسې کار په اوږدو کې په نه بدلېدونکي زیان پورې تړاو لري. څرنګه چې د لومړي قانون انرژي تل ساتل کېږي، دا څرګنده ده چې آزاده انرژي یو ډول مصرفي او د دویم قانون انرژي ده. د آزادې انرژي ډېری توابع ممکن د سیستم د معیارونو پربنسټ فورمول بندي شي. د آزادې انرژی توابع د داخلي انرژۍ د لیجنډري (فرانسوي ریاضي پوه) بدلونونه دي.  Stoner, Clinton D. (2000). Inquiries into the Nature of Free Energy and Entropy in Respect to Biochemical Thermodynamics. Entropy Vol. 2.

د ګیبس آزاده انرژی په  سره ښودل کېږي، چې  انتالپي،  د تودوخې مطلقه درجه او  انتروپي دی.           ، چې U داخلي انرژي،  فشار او  حجم دی.  د هغو پروسو لپاره ډېره کارول کېږي چې د ثابت فشار  او د تودوخې درجې  سیستم په کې شامل وي، ځکه چې یوازې د تودوخې له امله د هر ډول انتروپي بدلون د شاملولو سربېره، په  کې بدلون د  کار مخه هم نیسي چې "اضافي مالیکولونو ته د ځای رامنځته کولو لپاره" اړین دی، هغه مالیکولونه چې د بېلابېلو پروسو له خوا رامنځ ته شوي. له همدې امله د ګیبس د آزادې انرژي بدلون د کار سره مساوي دی چې د تودوخې په ثابته درجه او فشار کې د سیستم د پراختیا یا تراکم سره تړاو نلري . (نو کاربرد یې د بایو کیمیاپوهانو په ګډون د محلول فاز په کېمیا کې دی).

له دې وړاندې د هلمولتز آزاده انرژي په  بڼه تعریف شوې ده. بدلون یې د راګرځېدونکي کار له مقدار سره مساوي دی، چې په ثابته  کې په سیستم کې ترسره کېږي یا له سیستم څخه حاصلیږي. نو ځکه یې نوم "د کار مقدار" دی او  د جرمني کلمه Arbeit څخه چې د کار به معنی ده، اخیستل شوې ده. لکه څنګه چې دا په کار کې ښکېلو ارزښتونو (لکه  او ) ته هېڅ اشاره نه کوي، نو د هلمولتز تابع په بشپړ ډول عمومي دی: کمښت یې د کار اعظمي مقدار دی چې  د تودوخې په ثابته درجه کې د سیستم له خوا ترسره کېږي او په سیسم کې د کار مقدار سره په ایزوترمي ډول حداکثر زیاتېدای شي. د هلمولتز آزاده انرژي یو ځانګړی تیوریکي اهمیت لري، ځکه چې په احصایوي میخانیک کې د کینینیکي ډلې لپاره د پارتېشن تابع لوګاریتم سره متناسبه ده. (لذا کاربرد یې د فزیک پوهانو، د ګاز فاز کیمیا پوهانو او انجینرانو ته دی چې نه غواړي د  کار څخه صرف نظر وکړي).

د آزادې انرژۍ اصطلاح، په تاریخي ډول د دواړو مقدارونو لپاره کارول شوې ده. په فزیک کې، آزاده انرژي اکثراً د هلمولتز آزادې انرژۍ ته چې په A یا F ښودل کېږي، اشاره کوي، پداسې حال کې چې په کیمیا کې، آزاده انرژي اکثراً د ګیبس آزادې انرژۍ ته اشاره کوي. د دواړو آزادو انرژیو مقدارونه معمولا بېخي ورته وي او د مطلوبې آزادې انرژي تابع اکثراً په لیکلو آثارو او پریزنټشنونو کې ښودل شوی دی.    

 د "آزاد" یا “free” معنا 
د "انرژۍ" اساسي تعریف دا دی چې انرژي د جسم (په ترموډینامیک کې، د سیسټم) د وړتیا کچه ده چې د بدلون لامل کېږي. د بېلګې په توګه، کله چې یو څوک یو دروند بکس څو متره وړاندې ټېله کوي، هغه کس د څو مترو په واټن کې په بکس باندې میخانیکي انرژي، چې د کار په نوم هم یادېږي، واردوي. د انرژي د دې بڼې ریاضیکي تعریف په شي باندې د وارد شوي ځواک او د هغه واټن حاصل ضرب دی چې بکس  ورباندې حرکت کوي (کار = ځواک × واټن). ځکه چې هغه کس د بکس ساکن حالت بدل کړ، هغه کس په بکس باندې انرژي وارده کړه. هغه کار چې واردېږي د "مؤثرې انرژۍ" په نوم هم یادېږي، ځکه چې انرژي له یوې بڼې څخه په مطلوبې موخې، یعنې میخانیکي مؤثریت، ته بدله شوه. په دې حالت کې چې شخص بکس ټېله کوي، د داخلي (یا پوتنشیل) انرژۍ په بڼه انرژي چې د میتابولېزم له لارې ترلاسه کېږي، په کار بدله شوه ترڅو بکس ټېله کړي. خو د انرژۍ دا بدلون ساده نه ؤ: پداسې حال کې چې د داخلي انرژي یو مقدار د بکس په ټېله کولو کې مصرف شوه، یو مقدار یې د تودوخې (منحرف شوې حرارتي انرژي) په بڼه منحرف شوه (له لاسه ولاړه).    

په راګرځېدونکي پروسه کې تودوخه د مطلقه حرارت درجه 𝑇 او د جسم انتروپي د بدلون  حاصل ضرب دی ( انتروپي په یوه سیستم د جسم د ګډوډۍ مقدار دی). په داخلي انرژۍ کې د بدلون  او د حرارت په بڼه له لاسه تللې انرژۍ تر منځ توپیر دی چې د جسم "مؤثرې انرژي" په نوم یادیږي، یا د جسم هغه کار دی چې په یو شي باندې ترسره کېږي. په ترموډینامیک کې دې ته "آزاده انرژي" وايي. په بل عبارت، آزاده انرژي د کار مقدار (مؤثره انرژي) ده چې یو سیستم یې د تودوخې په ثابته حرارتي درجه کې ترسره کولای شي. په ریاضيکي ډول آزاده انرژي په لاندې ډول بیان کېږي: 

آزاده انرژي    

دا عبارت عپه عمومی توګه  داسې تعبیر شوی چې کار د داخلي انرژي  څخه لاسته راځي، په داسې حال کې چې  هغه انرژي ښيي چې د کار ترسره کولو لپاره موجوده نه وي.  که څه هم دا سم نه دی. د بېلګې په توګه د آیدال ګاز په ایزوترمل پراختیا کې د داخلي انرژۍ بدلون   دی او د کار پراختیا  یوازې د  له رابطې څخه اخیستل کېږي چې ظاهراً د کار ترسره کولو لپاره وجود نلري. خو د یادونې وړ ده چې د آزاده انرژي مشتق بڼه: (د هلمولتز آزاده انرژي لپاره) په حقیقت کې دا څرګندوي چې د ناغبرګوني سیستم  په آزاده انرژي (نه په داخلي انرژي) کې بې اختیاره بدلون، د  کار (په دې حالت تراکم) د ترسره کولو لپاره موجوده انرژي او ناموجوده انرژي   لري. مشابه مفهوم د ګیبس د آزادې انرژۍ بدلون لپاره کارول کېدای شي.    

په ۱۸ او ۱۹ پېړیو کې، د حرارت تیوري، یعنې دا چې حرارت اهتزازي حرکت ته ورته انررژي ده، هم یي د کالوریک تیوري، چې حرارت یې فلوید (سیاله ماده) ګڼه او هم یې د څلورو عناصرو تیوري، چې حرارت په کې د څلورو عناصرو تر ټولو سپک عنصر ؤ، ځای ونیو.  په ورته ډول، د دې کلونو په اوږدو کې حرارت په بېلابېلو کتګوریو لکه "آزاد حرارت"، "ترکیبي حرارت"، "شعاعي حرارت"، ځانګړی حرارت، د حرارت ظرفیت، "مطلق حرارت"، "پټ کالوريک"، "آزاده" یا "محسوس" کالوريک (د احساس وړ کالوری) باندې طبقه بندي شو.   

د بېلګې په توګه: په ۱۷۸۰ ز کال کې لاپلاس او لاوازیه څرګنده کړه: " په عمومي ډول کولای شو د آزاد حرارت، ترکیبي حرارت او آزاد شوي حرارت د کلمو په بدلولو سره، 'vis viva، (ژوندی ځواک) د vis viva ضایع کول  او د vis viva زیاتوالي ته لومړۍ فرضیه په دویمه بدله کړو. او په دې ډول، په جسم کې د کالوريک ټوله کتله چې مطلق حرارت بلل کېږي، د دوو اجزاوو مخلوط وګڼل شوه؛ آزاد یا محسوس کالوریک کولای شو په ترمامیتر اغیزه وکړي، پداسې حال کې چې بل جز، پټ کالوريک داسې نه شو کولای. د "پټ حرارت" د اصطلاح کارول په معمولي مفهوم کې د پټې تودوخې سره ورته والی ښود؛ د کیمیا له نظره دا د جسم په مالیکولونو پورې تړلی ګڼل کېد. د ګاز په ادیاباتیک (له حرارت له بایللو پرته) تراکم (فشار) کې، مطلق حرارت ثابت پاتې شو خو د ِحرارت لیدل شوی زیاتوالی په دې معنا و چې یو مقدار پټ کالوريک "آزاد" شوی یا محسوس شوی ؤ.    

د ۱۹ مې پېړۍ په اوږدو کې د محسوس او آزاد کالوریک مفهوم، آزاد حرارت یا آزاد شوي حرارت ته اشاره کوله. مثلا فرانسوي فزیک پوه سادي کارناټ په ۱۸۲۴ کال په خپل مشهور کتاب ”د اور محرک ځواک په اړه غور“ کې د حرارت د مقدارونو په اړه چې په ډول ډول بدلونو کې جذب یا آزاد کېږي، یادونه کوي. آلماني فزیک پوه او فیزیولوجیست هرمان هلمولتز په ۱۸۸۲ کال کې د عبارت لپاره د ’آزدې انرژۍ‘ عبارت رامنځته کړ، چې په A (یا G) کې بدلون تر ورکړل شوو شرایطو لاندې په ځانګړې توګه د حرارت ثابته درجه کې د کار لپاره د آزادې انرژۍ مقدار مشخص کوي.

لذا د ”آزاد“ کلیمه په دودیزه کارونه کې په ثابت فشار او د حرارت په ثابته درجه کې د سیستمونو لپاره د ګیبس آزادې انرژۍ یا د حرارت په ثابته درجه کې د سیستومو لپاره د هملولتز انرژۍ سره تړلې وه، چې د ’ مؤثر کار په بڼه موجوده ده، معنی یې ورکوله. د ګیبس انرژۍ ته په اشارې سره، اړتیا لرو چې دا شرط اضافه کړو چې دا د بې حجم کار یا ترکیبي بدلونونو لپاره آزاده انرژي ده.      

په زیات شمېر کتابونو او ژورنال مقالو کې د  "آزاد" ضمیمه شامله نه ده او G یوازې د ګیبس انرژي (او همدارنګه د هلمولټز انرژي) بولي. دا د ۱۹۸۸ ز کال د IUPAC غونډې پایله ده چې د نړیوالې ساینسي ټولنې لپاره یې واحد اصطلاحات ترتیب کړل، په دې غونډه کې یې ظاهراً د "آزاد" ستاینوم حذف کړ، خو دا معیار تر اوسه په نړیواله کچه نه دی منل شوی او په ګڼ شمېر خپرو شوو مقالو او کتابونو کې لاهم توصیفي ستاینوم 'آزاد' لیکل کېږي.  

 سرچينې