AhmadDahlan.NET – Energi bebas Helmholtz dan Gibbs adalah energi penting dalam kajian termodinamika dan turunan dari Hukum II termodinamika. Dua fungsi Energi Bebas terssebut selanjutnya disebut sebagai potensial termodinamika.
A. Energi Bebas Helmholtz
Energi bebas Helmholtz adalah besar potensial termodinamika yang digunakan untuk mengukur kerja yang dapat dimanfaatkan pada sebuah sistem termodinamika tertutup dengan kondisi Tekanan (P) dan Suhu (T) yang konstan.
Energi bebas Helmholtz dinyatakan dalam simbol A dari kata Arbeit yang berarti kerja dalam bahasa Jerman. Besar nilai A ini adalah selisih dari besar energi dalam dan panas yang terbuang setelah proses atau
A = U – TS
Dimana :
A : Energi bebas Helmhozt U = Energy Dalam T = Suhu S = Entropi
Selanjutnya, Energi dalam untuk sistem tertutup pada hukum Termodinamika I tidak lain adalah :
dU = δQ + δW
Pada sistem tertutup dengan proses reservisble berlaku δQ = TdS dan δW = -p dV. Maka persamaan dU dapat ditulis
dU = T dS – dV
dimana
d(TS) = T dS + S dT
maka
dU = d (TS) – S dT – p dV
dengan demikian maka
dATV = -S dT – p dV
B. Energy Gibbs
Energi bebas Gibbs adalah fungsi kunatitas termodinamika yang menyatakan hubungan antara entalpi, entropi dan suhu dari sebuah sistem. Fungsi Gibbs dinyatakan sebagai
G = H – TS
dimana
G : Energi bebas Gibbs H : Entalpi T : Suhu S : Entropi
Entalpi dan Entropi dari persamaan di atas adalah fungsi keadaan, dengan demikian, Energi bebas Gibs juga fungsi keadaan yakni dari keadaan awal samapi akhir proses berlangsung. Entalpi adalah proses yang terjadi pada kondisi isotermis sehingga G juga berada pada tekanan yang tetap. Kondisi selanjutnya disebut dengan dengan konisi bebas dari suatu sistem atau energi Gibbs.
Kondisi ini selanjutnya dapat ditulis dengan persamaan
– [dU + d(pV) – d(TS)] ≥ dWa
– d(U + pV – TS) ≥ dWa
menjadi
dG ≥ dWa
integralkan kedua ruas,
Ga-Go ≥ dWa
Jika digunakan tanda sama dengan maka akan menjadi
– ∆G = dWa
Indikator energi Gibbs menunjukkan anda -∆G sebagai fungsi dari T dan P. Setiap kerja nyata yang dihasilkan oleh sistem terjadi pada proses ekspansi dimana
T ds ≥ dU
(V tetap, tak ada kerja bukan-pemuaian), dimana
dS U,V ≥ 0 & dUS,V ≥ 0
kedua bentuk ini adalah perubahan alami yang menunjukkan perubahan volume pada sistem terisolasi.
Dari kedua persamaan 1 dan 2 mempunyai bentuk dU – T dS ≤ 0 dan dH – T dS ≤ 0, persamaan tersebut dapat dinyatakan lebih sederhana dengan memperkenalkan dua fungsi termodinamika, yaitu fungsi Helmholtz A dan fungsi Gibbs G. dengan A = U – TS
G = H – TS
Fungsi persamaan fundamental termodinamika
Selain sifat mekanis p dan V, sisitem juga memiliki 3 sifat fundamental T, U dan S yang didefinisikan oleh hokum termodinamika dan 3 sifat komposit H, A dan G yang juga penting. Sehingg sistem yang dihasilkan hanya kerja ekspansi sehingga dWa = 0. Dengan kondisi ini persamaan umum komdisi kesetimbangan adalah
dU = TdS – PdV
kombinasi hokum pertama dan kedua termodinamika adalah fundamental persamaa termodinamika. Dengan menggunakan definisi fungsi komposit
H = U + pV
A = U – TS
G = U + pV – TS
Dengan mendeferensiasikan maka akan diperoleh
dH = dU + pdV + Vdp
dA = dU – tdS – SdT
dG = dU + pdV +Vdp – TdS – SdT
Pada masing-masing persamaan diatas, dU disubstitusi dengan persamaan (dU = TdS – PdV) sehingga diperoleh :
menghubungkan perubahan energy terhadap perubahan entropi dan volume
dU = TdS – pdV
menghubungkan perubahan entalpi terhadap perubahan entropi dan tekanan
dH = TdS + Vdp
menghubungkan perubahan energy Helmholtz dA terhadap perubahan temperature dan volume
dA = – SdT – pdV
menghubungkan perubahan energy Gibbs terhadap prubahan temperature dan tekanan, S dan V disebut juga variable alami untuk energy.
dG = -SdT + Vdp
keempat persamaan tersebut sering disebut persamaan fundamental termodinamika, walaupun sebetulnya ini hanya 4 sudut pandang untuk melihat satu persamaan fundamental (dU = TdS – PdV). S dan p adalah variable alami untuk entalpi, T dan V adalah variable alamai untuk energi gibbs.