Gibbs Free Energy gegen Helmholtz Free Energy
Manche Dinge passieren spontan, andere nicht. Die Richtung der Änderung wird durch die Energieverteilung bestimmt. Bei spontanen Veränderungen tendieren die Dinge zu einem Zustand, in dem die Energie chaotischer verteilt ist. Eine Veränderung ist spontan, wenn sie zu größerer Zufälligkeit und Chaos im gesamten Universum führt. Der Grad des Chaos, der Zufälligkeit oder der Verteilung von Energie wird durch eine Zustandsfunktion gemessen, die als Entropie bezeichnet wird. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bezieht sich auf die Entropie und besagt: "Die Entropie des Universums nimmt in einem spontanen Prozess zu." Die Entropie hängt mit der erzeugten Wärmemenge zusammen. das ist das Ausmaß, in dem Energie abgebaut wurde. Tatsächlich hängt das Ausmaß der zusätzlichen Störung, die durch eine gegebene Wärmemenge q verursacht wird, von der Temperatur ab. Wenn es schon extrem heiß ist, verursacht ein bisschen zusätzliche Hitze nicht viel mehr Unordnung. Wenn die Temperatur jedoch extrem niedrig ist, führt die gleiche Wärmemenge zu einem dramatischen Anstieg der Störung. Daher ist es besser zu schreiben, ds = dq / T.
Um die Richtung der Veränderung zu analysieren, müssen wir Veränderungen sowohl im System als auch in der Umgebung berücksichtigen. Die folgende Clausius-Ungleichung zeigt, was passiert, wenn Wärmeenergie zwischen dem System und der Umgebung übertragen wird. (Angenommen, das System befindet sich bei der Temperatur T im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung.)
dS - (dq / T) ≥ 0 ……………… (1)
Helmholtz freie Energie
Wenn das Erhitzen bei konstantem Volumen erfolgt, können wir die obige Gleichung (1) wie folgt schreiben. Diese Gleichung drückt das Kriterium aus, dass eine spontane Reaktion nur in Bezug auf Zustandsfunktionen stattfindet.
dS - (dU / T) ≥ 0
Die Gleichung kann neu angeordnet werden, um die folgende Gleichung zu erhalten.
TdS ≥ dU (Gleichung 2); daher kann es als dU - TdS ≤ 0 geschrieben werden
Der obige Ausdruck kann durch die Verwendung des Begriffs Helmholtz-Energie 'A' vereinfacht werden, der definiert werden kann als:
A = U - TS
Aus den obigen Gleichungen können wir ein Kriterium für eine spontane Reaktion als dA ≤ 0 ableiten. Dies besagt, dass eine Änderung in einem System bei konstanter Temperatur und konstantem Volumen spontan ist, wenn dA ≤ 0 ist. Eine Änderung ist also spontan, wenn sie einer Abnahme der Helmholtz-Energie entspricht. Daher bewegen sich diese Systeme auf einem spontanen Weg, um einen niedrigeren A-Wert zu erhalten.
Gibbs freie Energie
Wir interessieren uns für Gibbs freie Energie als für die Helmholtz freie Energie in unserer Laborchemie. Gibbs freie Energie hängt mit den Änderungen zusammen, die bei konstantem Druck auftreten. Wenn Wärmeenergie mit konstantem Druck übertragen wird, gibt es nur Expansionsarbeiten; Daher können wir die Gleichung (2) wie folgt modifizieren und neu schreiben.
TdS ≥ dH
Diese Gleichung kann neu angeordnet werden, um dH - TdS ≤ 0 zu ergeben. Mit dem Ausdruck Gibbs-freie Energie 'G' kann diese Gleichung wie folgt geschrieben werden:
G = H - TS
Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck sind chemische Reaktionen spontan in Richtung einer Abnahme der freien Gibbs-Energie. Daher ist dG ≤ 0.
Was ist der Unterschied zwischen Gibbs und Helmholtz freier Energie?
• Gibbs freie Energie wird unter konstantem Druck und Helmholtz freie Energie unter konstantem Volumen definiert.
• Wir interessieren uns mehr für Gibbs freie Energie im Labor als für die Helmholtz-freie Energie, da sie bei konstantem Druck auftreten.
• Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck sind chemische Reaktionen spontan in Richtung einer Verringerung der freien Gibbs-Energie. Im Gegensatz dazu sind Reaktionen bei konstanter Temperatur und konstantem Volumen spontan in Richtung einer Abnahme der freien Helmholtz-Energie.
