Основные соотношения между термодинамическими функциями. Уравнение Гиббса-Гельмгольца.

Соответствующие дифференциалы термодинамических потенциалов:

· для внутренней энергии

,

· для энтальпии

 

· для свободной энергии Гельмгольца

,

· для потенциала Гиббса

Изохорно-изотермический потенциал. Функции внутренняя энергия U и энтальпия Н редко применяются в химической термодинамике, т.к. условия при которых они характеризуют процесс (V = const, S = const и р = const, S = const) практически неосуществимы. Наибольшее значение имеют характеристические функции: свободная энергия Гельмгольца

F = U - T·S - изохорно-изотермический потенциал и свободная энергия Гиббса

G = H - T·S - изобарно-изотермический потенциал.

Для вывода этих функций воспользуемся обобщенным уравнением I и II законов термодинамики

;

;

;

.

Величину U – T ·Sобозначим через , т. е. F=U – T· S. Тогда . Так как F =f (Т,V) выражается через U и S, то дифференциал её будет полным, т. е.

.

Сравнивая это уравнение с уравнением (2.39), получим:

и .

Как видно, функция F = U - TS, называемая изохорно-изотермическим потенциалом, также является характеристической.

Изобарно-изотермический потенциал обычно обозначается через G (иногда через Z). Она имеет вид:

Или , причем G=f(T, р).

Уравнение и переписываем его в виде: .

К правой и левой частям этого уравнения прибавляем – SdT + Vdp:

.

В результате . Выражение в скобках есть G=f(T, р), откуда

.

Полный дифференциал G=f(T, р) будет

.

Из сравнения этого уравнения с уравнением (2.42) следует, что

; .

Функция называется изобарно-изотермическим потенциалом. Как и все предыдущие функции, она является функцией состояния, т.е. изменение ее ΔG = G2 - G1 не зависит от пути процесса. Из четырех функций U=f·(V,S), H= f·(p,S), F= f·(T,V) и G= f·(T,p) в термодинамических расчетах наиболее часто используются функции F и G, так как они вычисляются по легко измеряемым параметрам (Т, V, p).

Уравнение Гиббса – Гельмгольца

Рассмотрим изохорно-изотермическую систему (Т = const; V = const) и воспользуемся для характеристики этой системы функцией F = U – T·S. Так как , то, подставив это значение в уравнение функции свободной энергии, получим .

Рассмотрим изотермический переход системы из начального состояния в конечное, для которых ; .

Но

и ,

поэтому (1)

или .

Анализируя протекание процесса в изобарно-изотермических условиях (Т = const; р = const), путем аналогичных рассуждений придем к выводу, что (2)

или .

Уравнения (1) и (2) выражают величину максимальной работы через тепловой эффект реакции и называются уравнениями Гиббса-Гельмгольца.

Из уравнений видно, что теплота может служить мерой химического сродства только при Т = 00 К или при , т. е. при независимости величины работы от температуры.