Gibbs Free Energy مقابل Helmholtz Free Energy
بعض الأشياء تحدث بشكل عفوي والبعض الآخر لا يحدث. يتم تحديد اتجاه التغيير من خلال توزيع الطاقة. في التغيير العفوي ، تميل الأشياء إلى حالة تكون فيها الطاقة أكثر تشتتًا فوضوية. التغيير عفوي ، إذا أدى إلى مزيد من العشوائية والفوضى في الكون ككل. تُقاس درجة الفوضى أو العشوائية أو تشتت الطاقة بوظيفة حالة تسمى الانتروبيا. يرتبط القانون الثاني للديناميكا الحرارية بالانتروبيا ، وهو يقول ، تزداد إنتروبيا الكون في عملية عفوية.يرتبط الانتروبيا بكمية الحرارة المتولدة ؛ هذا هو مدى تدهور الطاقة. في الواقع ، فإن مقدار الاضطراب الإضافي الناجم عن مقدار معين من الحرارة q يعتمد على درجة الحرارة. إذا كان الجو شديد السخونة بالفعل ، فإن القليل من الحرارة الزائدة لا يؤدي إلى مزيد من الاضطراب ، ولكن إذا كانت درجة الحرارة منخفضة للغاية ، فإن نفس كمية الحرارة ستسبب زيادة كبيرة في الفوضى. لذلك ، من الأنسب الكتابة ، ds=dq / T.
لتحليل اتجاه التغيير ، علينا النظر في التغييرات في كل من النظام والمناطق المحيطة به. توضح عدم المساواة التالية Clausius ما يحدث عند نقل الطاقة الحرارية بين النظام والمنطقة المحيطة به. (ضع في الاعتبار أن النظام في حالة توازن حراري مع المحيط عند درجة حرارة T)
dS - (dq / T) ≥ 0 ……………… (1)
طاقة خالية Helmholtz
إذا تم التسخين بحجم ثابت ، فيمكننا كتابة المعادلة أعلاه (1) على النحو التالي. تعبر هذه المعادلة عن معيار رد الفعل العفوي الذي يحدث من حيث وظائف الحالة فقط.
dS - (dU / T) ≥ 0
يمكن إعادة ترتيب المعادلة للحصول على المعادلة التالية
TdS ≥ dU (المعادلة 2) ؛ لذلك ، يمكن كتابتها كـ dU - TdS ≤ 0
يمكن تبسيط التعبير أعلاه باستخدام مصطلح Helmholtz energy "A" ، والذي يمكن تعريفه على أنه ،
A=U - TS
من المعادلات أعلاه ، يمكننا اشتقاق معيار للتفاعل العفوي مثل dA≤0. ينص هذا على أن التغيير في نظام عند درجة حرارة وحجم ثابتين يكون تلقائيًا ، إذا كان dA≤0. لذا فإن التغيير يكون عفويًا عندما يتناسب مع انخفاض في طاقة هيلمهولتز. لذلك ، تتحرك هذه الأنظمة في مسار تلقائي ، لإعطاء قيمة A أقل.
جيبس الطاقة الحرة
نحن مهتمون بالطاقة الحرة Gibbs من طاقة Helmholtz المجانية في كيمياء المختبرات لدينا. ترتبط طاقة جيبس الحرة بالتغيرات التي تحدث عند الضغط المستمر. عندما يتم نقل الطاقة الحرارية بضغط ثابت ، لا يوجد سوى عمل تمدد ؛ لذلك ، يمكننا تعديل وإعادة كتابة المعادلة (2) على النحو التالي.
TdS ≥ درهم
يمكن إعادة ترتيب هذه المعادلة لإعطاء dH - TdS ≤ 0. باستخدام مصطلح Gibbs free energy "G" ، يمكن كتابة هذه المعادلة كـ ،
G=H - TS
عند درجة حرارة وضغط ثابتين ، تكون التفاعلات الكيميائية تلقائية في اتجاه تقليل طاقة جيبس الحرة. لذلك ، dG≤0.
ما هو الفرق بين جيبس والطاقة الحرة هيلمهولتز؟
• يتم تعريف الطاقة الحرة Gibbs تحت ضغط ثابت ، ويتم تعريف طاقة Helmholtz الحرة تحت حجم ثابت.
• نحن مهتمون أكثر بالطاقة الحرة Gibbs في مستوى المختبر من طاقة Helmholtz الحرة ، لأنها تحدث تحت ضغط مستمر.
• عند درجة حرارة وضغط ثابتين ، تكون التفاعلات الكيميائية تلقائية في اتجاه تقليل طاقة جيبس الحرة. في المقابل ، عند درجة حرارة وحجم ثابتين ، تكون التفاعلات عفوية في اتجاه تقليل الطاقة الحرة هيلمهولتز.
