Sự khác biệt giữa năng lượng tự do Gibbs và năng lượng tự do Helmholtz

Năng lượng miễn phí Gibbs vs Năng lượng miễn phí Helmholtz

Một số điều xảy ra tự phát, một số khác thì không. Hướng thay đổi được xác định bởi sự phân phối năng lượng. Trong sự thay đổi tự phát, mọi thứ có xu hướng ở trạng thái mà năng lượng bị phân tán nhiều hơn. Một sự thay đổi là tự phát, nếu nó dẫn đến sự ngẫu nhiên và hỗn loạn lớn hơn trong toàn bộ vũ trụ. Mức độ hỗn loạn, ngẫu nhiên hoặc phân tán năng lượng được đo bằng một hàm trạng thái gọi là entropy. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học có liên quan đến entropy, và nó nói rằng, entropy của vũ trụ tăng lên trong một quá trình tự phát. Entropy liên quan đến lượng nhiệt tạo ra; đó là mức độ mà năng lượng đã bị suy thoái. Trong thực tế, lượng rối loạn thêm gây ra bởi một lượng nhiệt q nhất định phụ thuộc vào nhiệt độ. Nếu trời quá nóng, một chút nhiệt tăng thêm sẽ không gây ra nhiều rối loạn, nhưng nếu nhiệt độ cực thấp, cùng một lượng nhiệt sẽ gây ra sự rối loạn gia tăng đáng kể. Do đó, nó thích hợp hơn để viết, ds = dq / T.

Để phân tích hướng thay đổi, chúng ta phải xem xét các thay đổi trong cả hệ thống và xung quanh. Bất đẳng thức Clausius sau đây cho thấy điều gì xảy ra khi năng lượng nhiệt được truyền giữa hệ thống và xung quanh. (Xem xét hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt với xung quanh ở nhiệt độ T)

dS - (dq / T) ≥ 0 đường (1)

Năng lượng tự do Helmholtz

Nếu gia nhiệt được thực hiện ở âm lượng không đổi, chúng ta có thể viết phương trình trên (1) như sau. Phương trình này biểu thị tiêu chí cho một phản ứng tự phát chỉ diễn ra dưới dạng các hàm trạng thái.

dS - (dU / T) 0

Phương trình có thể được sắp xếp lại để có được phương trình sau.

TdS ≥ dU (phương trình 2); do đó, nó có thể được viết là dU - TdS ≤ 0

Biểu thức trên có thể được đơn giản hóa bằng cách sử dụng thuật ngữ năng lượng Helmholtz 'A', có thể được định nghĩa là,

A = U - TS

Từ các phương trình trên, chúng ta có thể rút ra một tiêu chí cho một phản ứng tự phát là dA≤0. Điều này nói rằng, một sự thay đổi trong một hệ thống ở nhiệt độ và âm lượng không đổi là tự phát, nếu dA≤0. Vì vậy, thay đổi là tự phát khi nó tương ứng với việc giảm năng lượng Helmholtz. Do đó, các hệ thống này di chuyển theo một con đường tự phát, để cho giá trị A thấp hơn.

Gibbs năng lượng miễn phí

Chúng tôi quan tâm đến năng lượng tự do Gibbs hơn năng lượng tự do Helmholtz trong hóa học trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Năng lượng tự do Gibbs có liên quan đến những thay đổi xảy ra ở áp suất không đổi. Khi năng lượng nhiệt được truyền ở áp suất không đổi, chỉ có công việc giãn nở; do đó, chúng ta có thể sửa đổi và viết lại phương trình (2) như sau.

TdS ≥ dH

Phương trình này có thể được sắp xếp lại để cho dH - TdS ≤ 0. Với thuật ngữ năng lượng tự do Gibbs 'G', phương trình này có thể được viết là,

G = H - TS

Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, các phản ứng hóa học là tự phát theo hướng giảm năng lượng tự do Gibbs. Do đó, dG≤0.

Sự khác biệt giữa năng lượng tự do Gibbs và Helmholtz là gì? • Năng lượng tự do Gibbs được xác định dưới áp suất không đổi và năng lượng tự do Helmholtz được xác định dưới thể tích không đổi. • Chúng ta quan tâm đến năng lượng tự do Gibbs ở cấp độ phòng thí nghiệm hơn năng lượng tự do Helmholtz, vì chúng xảy ra ở áp suất không đổi. • Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, các phản ứng hóa học tự phát theo hướng giảm năng lượng tự do Gibbs. Ngược lại, ở nhiệt độ và thể tích không đổi, các phản ứng tự phát theo hướng giảm năng lượng tự do Helmholtz.