Διαφορά μεταξύ Gibbs Free Energy και Helmholtz Ελεύθερη ενέργεια
Gibbs Free Energy vs Helmholtz Free Energy
Μερικά πράγματα συμβαίνουν αυθόρμητα, άλλα όχι. Η κατεύθυνση της αλλαγής καθορίζεται από την κατανομή της ενέργειας. Στην αυθόρμητη αλλαγή, τα πράγματα τείνουν σε μια κατάσταση στην οποία η ενέργεια είναι πιο χαοτικά διασκορπισμένη. Μια αλλαγή είναι αυθόρμητη, αν οδηγεί σε μεγαλύτερη τυχαιότητα και χάος στο σύμπαν στο σύνολό της. Ο βαθμός του χάους, της τυχαιότητας ή της διασποράς της ενέργειας μετράται από μια κρατική συνάρτηση που ονομάζεται εντροπία. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής σχετίζεται με την εντροπία, και λέει, "η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται σε μια αυθόρμητη διαδικασία. "Η εντροπία σχετίζεται με την ποσότητα θερμότητας που παράγεται. δηλαδή ο βαθμός υποβάθμισης της ενέργειας. Στην πραγματικότητα, η ποσότητα της επιπλέον διαταραχής που προκαλείται από μια δεδομένη ποσότητα θερμότητας q εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Εάν είναι ήδη πολύ ζεστό, λίγο επιπλέον θερμότητα δεν δημιουργεί πολύ περισσότερη διαταραχή, αλλά αν η θερμοκρασία είναι εξαιρετικά χαμηλή, η ίδια ποσότητα θερμότητας θα προκαλέσει μια δραματική αύξηση της διαταραχής. Επομένως, είναι πιο κατάλληλο να γράψουμε, ds = dq / T.
Για να αναλύσουμε την κατεύθυνση της αλλαγής, πρέπει να εξετάσουμε τις αλλαγές τόσο στο σύστημα όσο και στο περιβάλλον. Η ακόλουθη ανισότητα του Clausius δείχνει τι συμβαίνει όταν η ενέργεια θερμότητας μεταφέρεται μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος. (Θεωρούμε ότι το σύστημα είναι σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον σε θερμοκρασία T)
dS - (dq / T) ≥ 0 … (1)
Ελεύθερη ενέργεια Helmholtz
Εάν η θέρμανση γίνεται με σταθερό όγκο, μπορεί να γράψει την παραπάνω εξίσωση (1) ως εξής. Αυτή η εξίσωση εκφράζει το κριτήριο για μια αυθόρμητη αντίδραση να λάβει χώρα μόνο όσον αφορά τις λειτουργίες του κράτους.
dS - (dU / T) ≥ 0
Η εξίσωση μπορεί να αναδιαταχθεί για να πάρει την ακόλουθη εξίσωση.
TdS ≥ dU (εξίσωση 2). Επομένως, μπορεί να γραφεί ως dU - TdS ≤ 0
Η παραπάνω έκφραση μπορεί να απλοποιηθεί με τη χρήση του όρου Helmholtz energy 'A', που μπορεί να οριστεί ωςA = U - TS
Από τις παραπάνω εξισώσεις, εμείς μπορεί να αντλήσει ένα κριτήριο για μια αυθόρμητη αντίδραση ως dA≤0. Αυτό δηλώνει ότι, μια αλλαγή σε ένα σύστημα με σταθερή θερμοκρασία και όγκο είναι αυθόρμητη, αν dA≤0. Έτσι, η αλλαγή είναι αυθόρμητη όταν αντιστοιχεί σε μείωση της ενέργειας Helmholtz. Επομένως, αυτά τα συστήματα κινούνται σε μια αυθόρμητη διαδρομή, για να δώσουν χαμηλότερη τιμή Α.
Μας ενδιαφέρει η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs από την ελεύθερη ενέργεια Helmholtz στην εργαστηριακή μας χημεία. Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs σχετίζεται με τις αλλαγές που συμβαίνουν υπό συνεχή πίεση. Όταν η θερμική ενέργεια μεταφέρεται με σταθερή πίεση, υπάρχει μόνο εργασία επέκτασης. Επομένως, μπορούμε να τροποποιήσουμε και να ξαναγράψουμε την εξίσωση (2) ως εξής.
TdS ≥ dH
Αυτή η εξίσωση μπορεί να αναδιαταχθεί για να δώσει dH - TdS ≤ 0. Με τον όρο Gibbs ελεύθερη ενέργεια «G», αυτή η εξίσωση μπορεί να γραφεί ως
Σε σταθερή θερμοκρασία και πίεση, οι χημικές αντιδράσεις είναι αυθόρμητες στην κατεύθυνση της μείωσης της ελεύθερης ενέργειας του Gibbs. Επομένως, dG≤0.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της ελεύθερης ενέργειας του Gibbs και της Helmholtz;• Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs ορίζεται υπό σταθερή πίεση και η ελεύθερη ενέργεια Helmholtz ορίζεται υπό σταθερό όγκο.
• Μας ενδιαφέρει περισσότερο η ελεύθερη ενέργεια Gibbs σε εργαστηριακό επίπεδο από την ελεύθερη ενέργεια Helmholtz, επειδή συμβαίνει σε συνεχή πίεση.
