Verschil tussen Gibbs Free Energy en Helmholtz Free Energy

Gibbs Free Energy vs Helmholtz Free Energy

Sommige dingen gebeuren spontaan, andere niet. De richting van verandering wordt bepaald door de verdeling van energie. Bij spontane verandering neigen de dingen naar een toestand waarin de energie chaotischer verspreid is. Een verandering is spontaan, als het leidt tot grotere willekeur en chaos in het universum als geheel. De mate van chaos, willekeur of verspreiding van energie wordt gemeten door een toestandsfunctie die de entropie wordt genoemd. De tweede wet van de thermodynamica houdt verband met entropie, en er staat: "de entropie van het universum neemt toe in een spontaan proces." Entropie houdt verband met de hoeveelheid opgewekte warmte; dat is de mate waarin energie is aangetast. In feite hangt de hoeveelheid extra stoornis veroorzaakt door een bepaalde hoeveelheid warmte q af van de temperatuur. Als het al extreem heet is, veroorzaakt een beetje extra warmte niet veel meer wanorde, maar als de temperatuur extreem laag is, veroorzaakt dezelfde hoeveelheid warmte een dramatische toename van de stoornis. Daarom is het geschikter om te schrijven, ds = dq / T.

Om de richting van verandering te analyseren, moeten we veranderingen in zowel het systeem als de omgeving in overweging nemen. De volgende Clausius-ongelijkheid laat zien wat er gebeurt wanneer warmte-energie wordt overgedragen tussen het systeem en de omgeving. (Overweeg dat het systeem in thermisch evenwicht is met de omgeving op temperatuur T)

dS - (dq / T) ≥ 0 ... (1)

Helmholtz vrije energie

Als de verwarming op een constant volume gebeurt, kunnen we de bovenstaande vergelijking (1) als volgt schrijven. Deze vergelijking drukt het criterium uit voor een spontane reactie die uitsluitend in functie van de staat plaatsvindt.

dS - (dU / T) ≥ 0

De vergelijking kan worden herschikt om de volgende vergelijking te krijgen.

TdS ≥ dU (vergelijking 2); daarom kan het worden geschreven als dU - TdS ≤ 0

De bovenstaande uitdrukking kan worden vereenvoudigd door het gebruik van de term Helmholtz energie 'A', die kan worden gedefinieerd als,

A = U - TS

Uit de bovenstaande vergelijkingen kunnen we een criterium afleiden voor een spontane reactie als dA≤0. Dit stelt dat een verandering in een systeem bij constante temperatuur en volume spontaan is, als dA≤0. Verandering is dus spontaan als het overeenkomt met een afname van de Helmholtz-energie. Daarom bewegen deze systemen in een spontaan pad, om een ​​lagere A-waarde te geven.

Gibbs vrije energie

We zijn geïnteresseerd in Gibbs-vrije energie dan de Helmholtz-vrije energie in onze laboratoriumchemie. Gibbs vrije energie houdt verband met de veranderingen die plaatsvinden bij constante druk. Wanneer warmte-energie wordt overgedragen onder constante druk, is er alleen expansiewerk; daarom kunnen we de vergelijking (2) als volgt wijzigen en herschrijven.

TdS ≥ dH

Deze vergelijking kan worden herschikt om dH - TdS ≤ 0 te geven. Met de term Gibbs vrije energie 'G' kan deze vergelijking worden geschreven als,

G = H - TS

Bij constante temperatuur en druk zijn chemische reacties spontaan in de richting van afnemende Gibbs-vrije energie. Daarom is dG≤0.

Wat is het verschil tussen Gibbs en Helmholtz vrije energie? • Gibbs-vrije energie wordt gedefinieerd onder constante druk en de vrije energie van Helmholtz wordt gedefinieerd onder constant volume. • We zijn meer geïnteresseerd in de vrije energie van Gibbs op laboratoriumniveau dan de vrije energie van Helmholtz, omdat deze constant onder druk staat. • Bij constante temperatuur en druk zijn chemische reacties spontaan in de richting van afnemende Gibbs-vrije energie. Daarentegen zijn bij constante temperatuur en volume de reacties spontaan in de richting van afnemende vrije energie van Helmholtz.