Gibbs Free Energy vs Helmholtz Free Energy
Noen ting skjer spontant, andre ikke. Retningen på endringen bestemmes av fordelingen av energi. I spontan forandring har ting en tendens til at energien er mer kaotisk spredt. En endring er spontan, hvis den fører til større tilfeldighet og kaos i universet som helhet. Graden av kaos, tilfeldighet eller spredning av energi måles ved en tilstandsfunksjon kalt entropi. Den andre loven om termodynamikk er relatert til entropi, og den sier "universets entropi øker i en spontan prosess." Entropi er relatert til mengden varme som genereres; det er i hvilken grad energi har blitt nedbrutt. Faktisk avhenger mengden ekstra lidelse forårsaket av en gitt mengde varme q av temperaturen. Hvis det allerede er ekstremt varmt, skaper litt ekstra varme ikke mye mer forstyrrelse,men hvis temperaturen er ekstremt lav, vil den samme mengden varme føre til en dramatisk økning i uorden. Derfor er det mer hensiktsmessig å skrive, ds = dq / T.
For å analysere endringsretningen, må vi vurdere endringer i både systemet og det omkringliggende. Følgende Clausius-ulikhet viser hva som skjer når varmeenergi overføres mellom systemet og det omkringliggende. (Tenk på at systemet er i termisk likevekt med omgivelsene ved temperatur T)
dS - (dq / T) ≥ 0 ……………… (1)
Helmholtz fri energi
Hvis oppvarmingen skjer med konstant volum, kan vi skrive ligningen ovenfor (1) som følger. Denne ligningen uttrykker kriteriet for at en spontan reaksjon bare skal finne sted når det gjelder tilstandsfunksjoner.
dS - (dU / T) ≥ 0
Ligningen kan ordnes for å få følgende ligning.
TdS ≥ dU (ligning 2); Derfor kan den skrives som dU - TdS ≤ 0
Ovennevnte uttrykk kan forenkles ved bruk av begrepet Helmholtz energi 'A', som kan defineres som, A = U - TS
Fra ovenstående ligninger kan vi utlede et kriterium for en spontan reaksjon som dA≤0. Dette sier at en endring i et system ved konstant temperatur og volum er spontan, hvis dA≤0. Så forandring er spontan når det tilsvarer en reduksjon i Helmholtz-energien. Derfor beveger disse systemene seg i en spontan vei for å gi lavere A-verdi.
Gibbs fri energi
Vi er interessert i Gibbs fri energi enn Helmholtz fri energi i laboratoriekjemi. Gibbs fri energi er relatert til endringene som skjer ved konstant trykk. Når varmeenergi overføres ved konstant trykk, er det bare ekspansjonsarbeid; Derfor kan vi endre og omskrive ligningen (2) som følger.
TdS ≥ dH
Denne ligningen kan omorganiseres for å gi dH - TdS ≤ 0. Med begrepet Gibbs fri energi 'G', kan denne ligningen skrives som, G = H - TS
Ved konstant temperatur og trykk er kjemiske reaksjoner spontane i retning av å redusere Gibbs fri energi. Derfor dG≤0.
Hva er forskjellen mellom Gibbs og Helmholtz fri energi?
• Gibbs fri energi er definert under konstant trykk, og Helmholtz fri energi er definert under konstant volum.
• Vi er mer interessert i Gibbs fri energi på laboratorienivå enn Helmholtz fri energi, fordi de forekommer ved konstant trykk.
• Ved konstant temperatur og trykk er kjemiske reaksjoner spontane i retning av å redusere Gibbs fri energi. I motsetning til dette, ved konstant temperatur og volum, er reaksjonene spontane i retning av å redusere Helmholtz fri energi.
