Разница между свободной энергией Гиббса и свободной энергией Гельмгольца

2024 Автор: Mildred Bawerman | [email protected]. Последнее изменение: 2023-12-16 08:42

Свободная энергия Гиббса против свободной энергии Гельмгольца

Некоторые вещи происходят спонтанно, другие - нет. Направление изменения определяется распределением энергии. При спонтанном изменении вещи стремятся к состоянию, в котором энергия более хаотично рассредоточена. Изменение является спонтанным, если оно приводит к большей случайности и хаосу во Вселенной в целом. Степень хаоса, случайности или рассеивания энергии измеряется функцией состояния, называемой энтропией. Второй закон термодинамики связан с энтропией и гласит, что «энтропия Вселенной возрастает спонтанно». Энтропия связана с количеством выделяемого тепла; это степень деградации энергии. Фактически, количество дополнительного беспорядка, вызванного данным количеством тепла q, зависит от температуры. Если уже очень жарко, немного лишнего тепла не вызовет большего беспорядка.но если температура очень низкая, такое же количество тепла вызовет резкое увеличение беспорядка. Поэтому правильнее писать ds = dq / T.

Чтобы проанализировать направление изменений, мы должны учитывать изменения как в системе, так и в окружающей среде. Следующее неравенство Клаузиуса показывает, что происходит, когда тепловая энергия передается между системой и окружающей средой. (Считайте, что система находится в тепловом равновесии с окружающей средой при температуре T)

dS - (dq / T) ≥ 0 ……………… (1)

Свободная энергия Гельмгольца

Если нагрев осуществляется при постоянном объеме, мы можем записать приведенное выше уравнение (1) следующим образом. Это уравнение выражает критерий спонтанной реакции только в терминах функций состояния.

dS - (dU / T) ≥ 0

Уравнение можно переформулировать, чтобы получить следующее уравнение.

TdS ≥ dU (уравнение 2); поэтому его можно записать как dU - TdS ≤ 0

Вышеприведенное выражение можно упростить, используя термин энергия Гельмгольца 'A', который можно определить как

А = U - TS

Из приведенных выше уравнений мы можем вывести критерий спонтанной реакции как dA≤0. Это означает, что изменение в системе при постоянной температуре и объеме является спонтанным, если dA≤0. Таким образом, изменение является спонтанным, когда оно соответствует уменьшению энергии Гельмгольца. Следовательно, эти системы движутся спонтанно, чтобы получить более низкое значение A.

Свободная энергия Гиббса

В нашей лабораторной химии нас интересует свободная энергия Гиббса, а не свободная энергия Гельмгольца. Свободная энергия Гиббса связана с изменениями, происходящими при постоянном давлении. Когда тепловая энергия передается при постоянном давлении, происходит только работа расширения; следовательно, мы можем изменить и переписать уравнение (2) следующим образом.

TdS ≥ dH

Это уравнение можно переформулировать так, чтобы получить dH - TdS ≤ 0. Используя термин «свободная энергия Гиббса G», это уравнение можно записать как

G = H - TS

При постоянных температуре и давлении химические реакции протекают самопроизвольно в направлении уменьшения свободной энергии Гиббса. Следовательно, dG≤0.

В чем разница между свободной энергией Гиббса и Гельмгольца?

• Свободная энергия Гиббса определяется при постоянном давлении, а свободная энергия Гельмгольца определяется при постоянном объеме.

• Нас больше интересует свободная энергия Гиббса на лабораторном уровне, чем свободная энергия Гельмгольца, потому что они возникают при постоянном давлении.

• При постоянных температуре и давлении химические реакции происходят самопроизвольно в направлении уменьшения свободной энергии Гиббса. Напротив, при постоянных температуре и объеме реакции происходят спонтанно в направлении уменьшения свободной энергии Гельмгольца.