Energi bebas Helmholtz

Energi bebas Helmholtz adalah potensial termodinamika yang mengukur kerja yang "bermanfaat" dari sistem termodinamika tertutup dengan suhu dan volume yang konstan. Perbedaan negatif energi Helmholtz sama dengan jumlah maksimal kerja yang dapat dilakukan suatu sistem dalam proses termodinamika dengan volume konstan.

Konsep energi bebas Helmholtz dikembangkan oleh fisikawan Jerman Hermann von Helmholtz. Konsep ini pertama kali dipresentasikan pada tahun 1882. Energi bebas Helmholtz biasanya ditulis dengan lambang A  (dari bahasa Jerman, "Arbeit", yang berarti "kerja") atau F. IUPAC menyarankan huruf A dan penggunaan nama "energi Helmholtz".

Definisi

Energi Helmholtz didefinisikan sebagai berikut:

$A\equiv U-TS,$

where

A adalah energi bebas Helmholtz (SI: joule, CGS: erg),

U adalah energi internal sistem (SI: joule, CGS: erg),

T adalah suhu absolut (kelvin)

S adalah entropi sistem (SI: joule per kelvin, CGS: erg per kelvin).

Pengembangan secara matematis

Dari hukum termodinamika pertama dalam sistem yang tertutup, diperoleh rumus:

$\mathrm {d} U=\delta Q\ +\delta W,$

$U$ adalah energi internal, $\delta Q$ adalah energi yang ditambahkan sebagai panas, dan $\delta W$ adalah kerja yang dilakukan pada sistem. Berdasarkan hukum termodinamika kedua, rumus berikut dapat ditulis untuk proses reversibel: $\delta Q=T\,\mathrm {d} S$. Selain itu, untuk perubahan yang reversibel, kerja yang dilakukan dapat ditulis sebagai berikut: $\delta W=-p\,\mathrm {d} V$ (mengabaikan kerja elektrik dan kerja non-PV lainnya):

$\mathrm {d} U=T\,\mathrm {d} S-p\,\mathrm {d} V.$

Dengan menggunakan kaidah darab pada d(TS) = T dS + S dT, diperoleh

$\mathrm {d} U=\mathrm {d} (TS)-S\,\mathrm {d} T-p\,\mathrm {d} V,$

dan

$\mathrm {d} (U-TS)=-S\,\mathrm {d} T-p\,\mathrm {d} V.$

Dengan menggunakan definisi A = U − TS, rumusnya dapat ditulis menjadi

$\mathrm {d} A=-S\,\mathrm {d} T-p\,\mathrm {d} V.$