Tenaga Percuma Gibbs lwn Tenaga Percuma Helmholtz
Sesetengah perkara berlaku secara spontan, yang lain tidak. Arah perubahan ditentukan oleh pengagihan tenaga. Dalam perubahan spontan, perkara cenderung kepada keadaan di mana tenaga lebih tersebar secara huru-hara. Sesuatu perubahan adalah spontan, jika ia membawa kepada rawak dan huru-hara yang lebih besar di alam semesta secara keseluruhan. Tahap huru-hara, rawak, atau penyebaran tenaga diukur dengan fungsi keadaan yang dipanggil entropi. Undang-undang kedua termodinamik berkaitan dengan entropi, dan ia berkata, entropi alam semesta meningkat dalam proses spontan.” Entropi berkaitan dengan jumlah haba yang dihasilkan; itu adalah sejauh mana tenaga telah terdegradasi. Malah, jumlah gangguan tambahan yang disebabkan oleh jumlah haba q bergantung pada suhu. Jika ia sudah sangat panas, sedikit haba tambahan tidak menimbulkan lebih banyak gangguan, tetapi jika suhu sangat rendah, jumlah haba yang sama akan menyebabkan peningkatan mendadak dalam gangguan. Oleh itu, adalah lebih sesuai untuk menulis, ds=dq/T.
Untuk menganalisis arah perubahan, kita perlu mempertimbangkan perubahan dalam kedua-dua sistem dan persekitaran. Ketaksamaan Clausius berikut menunjukkan apa yang berlaku apabila tenaga haba dipindahkan antara sistem dan persekitaran. (Anggap sistem berada dalam keseimbangan terma dengan persekitaran pada suhu T)
dS – (dq/T) ≥ 0………………(1)
Tenaga bebas Helmholtz
Jika pemanasan dilakukan pada isipadu tetap, kita boleh menulis persamaan di atas (1) seperti berikut. Persamaan ini menyatakan kriteria untuk tindak balas spontan berlaku dari segi fungsi keadaan sahaja.
dS – (dU/T) ≥ 0
Persamaan boleh disusun semula untuk mendapatkan persamaan berikut.
TdS ≥ dU (persamaan 2); oleh itu, ia boleh ditulis sebagai dU – TdS ≤ 0
Ungkapan di atas boleh dipermudahkan dengan penggunaan istilah tenaga Helmholtz ‘A’, yang boleh ditakrifkan sebagai, A=U – TS
Daripada persamaan di atas, kita boleh memperoleh kriteria untuk tindak balas spontan sebagai dA≤0. Ini menyatakan bahawa, perubahan dalam sistem pada suhu dan isipadu malar adalah spontan, jika dA≤0. Jadi perubahan adalah spontan apabila ia sepadan dengan penurunan tenaga Helmholtz. Oleh itu, sistem ini bergerak dalam laluan spontan, untuk memberikan nilai A yang lebih rendah.
Tenaga percuma Gibbs
Kami berminat dengan tenaga bebas Gibbs daripada tenaga bebas Helmholtz dalam kimia makmal kami. Tenaga bebas Gibbs berkaitan dengan perubahan yang berlaku pada tekanan malar. Apabila tenaga haba dipindahkan pada tekanan malar, hanya ada kerja pengembangan; oleh itu, kita boleh mengubah suai dan menulis semula persamaan (2) seperti berikut.
TdS ≥ dH
Persamaan ini boleh disusun semula untuk memberikan dH – TdS ≤ 0. Dengan istilah tenaga bebas Gibbs ‘G’, persamaan ini boleh ditulis sebagai, G=H – TS
Pada suhu dan tekanan malar, tindak balas kimia berlaku secara spontan ke arah mengurangkan tenaga bebas Gibbs. Oleh itu, dG≤0.
Apakah perbezaan antara tenaga bebas Gibbs dan Helmholtz?
• Tenaga bebas Gibbs ditakrifkan di bawah tekanan malar dan tenaga bebas Helmholtz ditakrifkan di bawah isipadu malar.
• Kami lebih berminat dengan tenaga bebas Gibbs di peringkat makmal berbanding tenaga bebas Helmholtz, kerana ia berlaku pada tekanan malar.
• Pada suhu dan tekanan malar, tindak balas kimia berlaku secara spontan ke arah mengurangkan tenaga bebas Gibbs. Sebaliknya, pada suhu dan isipadu malar, tindak balas adalah spontan ke arah mengurangkan tenaga bebas Helmholtz.
