Forskellen mellem Gibbs Free Energy og Helmholtz Free Energy

Gibbs Free Energy vs Helmholtz Free Energy

Nogle ting sker spontant, andre gør det ikke. Retningen til ændring bestemmes af fordelingen af ​​energi. Ved spontan forandring er tingene tilbøjelige til en tilstand, hvor energien spredes mere kaotisk. En ændring er spontan, hvis den fører til større tilfældighed og kaos i universet som helhed. Graden af ​​kaos, tilfældighed eller spredning af energi måles ved en tilstandsfunktion kaldet entropien. Den anden lov om termodynamik er relateret til entropi, og den siger, "universets entropi stiger i en spontan proces." Entropi er relateret til mængden af ​​genereret varme; det er i hvilket omfang energi er blevet nedbrudt. Faktisk afhænger mængden af ​​ekstra forstyrrelse forårsaget af en given mængde varme q af temperaturen. Hvis det allerede er ekstremt varmt, skaber en smule ekstra varme ikke meget mere forstyrrelse, men hvis temperaturen er ekstremt lav, vil den samme mængde varme forårsage en dramatisk stigning i forstyrrelsen. Derfor er det mere passende at skrive, ds = dq / T.

For at analysere ændringsretningen er vi nødt til at overveje ændringer i både system og omgivelser. Følgende Clausius-ulighed viser, hvad der sker, når varmeenergi overføres mellem systemet og det omkringliggende. (Overvej, at systemet er i termisk ligevægt med omgivelserne ved temperatur T)

dS - (dq / T) ≥ 0… (1)

Helmholtz fri energi

Hvis opvarmningen udføres med konstant volumen, kan vi skrive ovenstående ligning (1) som følger. Denne ligning udtrykker kriteriet for, at en spontan reaktion kun finder sted med hensyn til tilstandsfunktioner.

dS - (dU / T) ≥ 0

Ligningen kan omarrangeres for at få følgende ligning.

TdS ≥ dU (ligning 2); derfor kan det skrives som dU - TdS ≤ 0

Ovenstående udtryk kan forenkles ved anvendelse af udtrykket Helmholtz energi 'A', som kan defineres som,

A = U - TS

Fra de ovennævnte ligninger kan vi udlede et kriterium for en spontan reaktion som dA≤0. Dette siger, at en ændring i et system ved konstant temperatur og volumen er spontan, hvis dA≤0. Så ændring er spontan, når den svarer til et fald i Helmholtz-energien. Derfor bevæger disse systemer sig i en spontan sti for at give en lavere A-værdi.

Gibbs fri energi

Vi er interesseret i Gibbs fri energi end Helmholtz fri energi i vores laboratoriekemi. Gibbs fri energi er relateret til ændringerne, der sker ved konstant tryk. Når varmeenergi overføres ved konstant tryk, er der kun ekspansionsarbejde; derfor kan vi ændre og omskrive ligningen (2) som følger.

TdS ≥ dH

Denne ligning kan omarrangeres for at give dH - TdS ≤ 0. Med udtrykket Gibbs fri energi 'G' kan denne ligning skrives som,

G = H - TS

Ved konstant temperatur og tryk er kemiske reaktioner spontane i retning af faldende Gibbs fri energi. Derfor dG≤0.

Hvad er forskellen mellem Gibbs og Helmholtz fri energi? • Gibbs fri energi defineres under konstant tryk, og Helmholtz fri energi defineres under konstant volumen. • Vi er mere interesseret i Gibbs fri energi på laboratorieniveau end Helmholtz fri energi, fordi de forekommer ved konstant tryk. • Ved konstant temperatur og tryk er kemiske reaktioner spontane i retning af faldende Gibbs fri energi. I modsætning hertil, ved konstant temperatur og volumen, er reaktionerne spontane i retning af faldende Helmholtz fri energi.