ギブスとヘルムホルツの自由エネルギーの違い|化学

主な違い – ギブスとヘルムホルツの自由エネルギー

化学反応の熱力学で使用される 4 つの主要な熱力学的ポテンシャルがあります。それらは、内部エネルギー、エンタルピー、ヘルムホルツ自由エネルギー、およびギブス自由エネルギーです。内部エネルギーは、分子の動きに関連するエネルギーです。エンタルピーは、システムの総熱量です。ヘルムホルツ自由エネルギーは、システムから得られる「有用な仕事」です。ギブスの自由エネルギーは、システムから取得できる最大の可逆仕事です。これらの用語はすべて、特定のシステムの動作を表しています。ギブスの自由エネルギーとヘルムホルツの自由エネルギーの主な違いは、ギブスの自由エネルギーは一定の圧力の下で定義され、ヘルムホルツの自由エネルギーは一定の体積の下で定義されます。

対象となる主な分野

1.ギブスの自由エネルギーとは
– 定義、計算式、応用
2.ヘルムホルツ自由エネルギーとは
– 定義、計算式、応用
3.ギブスとヘルムホルツの自由エネルギーの違いは何ですか
– 主な相違点の比較

重要な用語:エンタルピー、ギブズ自由エネルギー、ヘルムホルツ自由エネルギー、内部エネルギー、熱力学的ポテンシャル

ギブスフリーエネルギーとは

ギブスの自由エネルギーは、特定のシステムから得られる最大可逆仕事として定義できます。このギブスの自由エネルギーを計算するには、システムが一定の温度と一定の圧力にある必要があります。記号 G は、ギブスの自由エネルギーに与えられます。ギブスの自由エネルギーは、化学反応が自発的か非自発的かを予測するために使用できます。

ギブスの自由エネルギーは、SI 単位 J (ジュール) から計算されます。ギブスの自由エネルギーは、システムを拡張する代わりに、閉じたシステムによって行われる最大量の仕事を提供します。この定義に適合する実際のエネルギーは、可逆過程を考慮すると得られます。ギブスの自由エネルギーは、常にエネルギーの変化として計算されます。これは ΔG として与えられます。これは、初期エネルギーと最終エネルギーの差に等しくなります。ギブスの自由エネルギーの方程式は、以下のように与えられます。

方程式

G =U – TS + PV

ここで、G はギブスの自由エネルギー、

U は系の内部エネルギー、

T はシステムの絶対温度、

V はシステムの最終ボリュームです。

P はシステムの絶対圧力、

S は系の最終エントロピーです。

しかし、システムのエンタルピーは、システムの内部エネルギーに圧力と体積の積を加えたものに等しくなります。次に、上記の式は次のように変更できます。

G =H – TS

または

ΔG =ΔH – TΔS

ΔG の値が負の値である場合、それは反応が自発的であることを意味します。 ΔG の値が正の値の場合、反応は非自発的です。

図 1:発熱反応

負の ΔG は、負の ΔH 値を示します。それはエネルギーが周囲に放出されることを意味します。発熱反応といいます。正の ΔG は、正の ΔH 値を示します。これは吸熱反応です。

ヘルムホルツフリーエネルギーとは

ヘルムホルツの自由エネルギーは、閉じたシステムによって得られる「有用な仕事」と定義できます。この用語は、一定の温度と一定の体積に対して定義されます。この概念は、ドイツの科学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツによって開発されました。この項は以下の式で与えられます。

方程式

A =U – TS

ここで、A はヘルムホルツの自由エネルギー、

U は内部エネルギー、

T は絶対温度、

S は系の最終エントロピーです。

自発的な反応の場合、ΔA は負です。したがって、システム内の化学反応が考慮される場合、それが自発的な反応であるためには、一定の温度と体積でのエネルギーの変化は負の値でなければなりません。