통계역학, 열역학 또는 물리화학과 같은 과목들을 공부하다보면 자유 에너지(Free Energy)라는 개념에 대해 배우게 됩니다. 하지만 어떠한 자유 에너지인가에 따라 다양한 정의를 가질 수 있기 때문에 항상 헷갈리기 쉬운 개념이기도 합니다. 이번 글에서는 열역학과 관계된 다양한 자유 에너지의 정의에 대해 알아보겠습니다.
열역학적 자유 에너지
물리학 또는 물리화학에서 열역학적 자유 에너지란 '일을 하기 위해 사용할 수 있는 열역학적 내부 계(System)의 에너지 양'을 나타냅니다. 이러한 열역학적 자유 에너지는 다양한 형태로 표현할 수 있습니다.
가장 대표적인 깁스 자유 에너지 (Gibbs Free Energy)는 일정한 온도와 압력을 유지하는 계에서 일로 변환이 가능한 에너지를 의미합니다. 구체적인 관계식은 아래와 같습니다.
G = H-TS
여기서 G는 깁스 자유 에너지, H는 엔탈피, T는 온도, S는 엔트로피입니다.
깁스 자유 에너지(Gibbs Free Energy)란?
화학의 역사는 매우 오래되었지만, 화학 반응을 일으키는 힘에 대한 개념을 확립한 것은 그리 오래 되지 않았습니다. 초창기 화학자들은 화학 반응을 일으키기 위한 힘을 설명하기 위해 '친화
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헬름홀츠 자유 에너지(Helmholtz Free Energy)는 일정한 온도와 부피를 유지하는 계에서 일로 변환이 가능한 에너지를 의미합니다. 헬름홀츠 자유 에너지의 관계식은 아래와 같습니다.
A = U-TS
여기서 A는 헬름홀츠 자유 에너지, U는 계의 내부 에너지, T는 온도, S는 엔트로피입니다. 참고로 헬름홀츠 에너지는 종종 대문자 A 대신 대문자 F로 표현하기도 합니다.
란다우 자유 에너지(Landau Free Energy)는 에너지와 입자가 주위에서 서로 교환될 수 있는 열린 계에서의 에너지를 설명하기 위한 개념입니다. 구체적인 관계식은 아래와 같습니다.
Ω = A - μN
여기서 Ω는 란다우 자유 에너지, μ는 화학 포텐셜(chemical potential), N 입자의 수를 의미합니다. 참고로 란다우 자유 에너는 물리학 분야에서 연속적인 상전이를 설명하기 위해 이론 물리학자인 레프 란다우에 의해 고안된 개념입니다.
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