Thermodynamic Potentials
Chapter 8
Advanced Thermodynamics (M2794.007900)
Min Soo Kim
Seoul National University
8.1 Introduction
U
InternalenergyF
H G
Helmholtz Free energy
Gibbs
Free energy Enthalpy
U = energy needed to create a system
F = energy needed to create a system â energy provided by the enviroment
H = energy needed to
create a system + the work needed to make room for it
G = total energy needed to create a system + the work needed to make room for it â energy provided by the enviroment
đŽ = đŧ + đˇđŊ â đģđē đ¯ = đŧ + đˇđŊ
đ = đŧ â đģđē
+đˇđŊ
âđģđē
8.1 Introduction
đ đŧ = đģđ đē â đˇđ đŊ
đē đđđ đŊ
: intrinsically extensive quantitiesđģ đđđ â đˇ:
intensive variables that are said to be canonically conjugate to them So, canonically conjugate pairs aređģ, đē đđđ â đˇ, đŊ đģ đđđ đē are thermal variables,
whereas đˇ đđđ đŊ are by nature mechanical variables
đē , đŊ đē, đˇ đģ, đŊ đģ, đˇ
8.1 Introduction
đ đŧ = ( đđŧ
đđē )
đŊđ đē + ( đđŧ
đđŊ )
đēđ đŊ đŧ = đŧ(đē, đŊ)
Assume
( đđŧ
đđē )
đ= đģ , ( đđŧ
đđŊ )
đ= âđˇ
However, the selection of the two independent variables is a in matter of choice
8.3 Definition of the Thermodynamic Potentials
đ đ¯ = ( đđ¯
đđē )
đˇđ đē + ( đđ¯
đđˇ )
đđ đˇ đ¯ = đ¯(đē, đˇ)
Assume
( đđ¯
đđē )
đˇ= đģ , ( đđ¯
đđˇ )
đē= đŊ
đ đ¯ = đģđ đē + đŊđ đˇ
đ¯ = đŧ + đˇđŊ
đ đ = ( đđ
đđŊ )
đģđ đŊ + ( đđ
đđģ )
đŊđ đģ đ = đ(đģ, đŊ)
Assume
( đđ
đđŊ )
đģ= âđˇ , đđ
đđģ
đŊ= âđē
đ đ = âđˇđ đŊ â đēđ đģ đ = đŧ â đēđģ
8.3 Definition of the Thermodynamic Potentials
đ đŽ = ( đđŽ
đđģ )
đˇđ đģ + ( đđŽ
đđˇ )
đģđ đˇ đ = đŽ(đģ, đˇ)
Assume
( đđŽ
đđģ )
đˇ= âđē , đđŽ
đđˇ
đģ= đŊ
đ đŽ = âđēđ đģ + đŊđ đˇ đŽ = đŧ + đˇđŊ â đēđģ
8.3 Definition of the Thermodynamic Potentials
8.4 The Maxwell Relations
đ
đđŧ
đđŊđđē = ( đđģ
đđŊ )
đē= đ
đđŧ
đđēđđŊ = â( đđˇ
đđē )
đŊEach of the four thermodynamic potentials is a state variable whose differential is exact. As an example, we consider
( đđģ
đđŊ )
đē= â( đđˇ
đđē )
đŊđ đŧ = đģđ đē + âđˇ đ đŊ = ( đđŧ
đđē )
đŊđ đē + ( đđŧ
đđŊ )
đēđ đŊ
Maxwell relation :
8.5 The Helmholtz Function
Change in U is the heat flow in an isochoric reversible process
đ đŧ = đģđ đē + âđˇ đ đŊ
Change in H is the heat flow in an isobaric reversible process
âđŧ = đ¸
đēđđđđđđđâ
đ đ¯ = đģđ đē + đŊđ đˇ â âđ¯ = đ¸
đēđđđđđđđ8.5 The Helmholtz Function
Change in F
đ đ = âđēđ đģ â đˇđ đŊ â âđ = â āļą đˇđ đŊ
âđž = ââđ đģ
đ¸ đđđđ đēđđđđđ
âđ =
Maximum energy available for work in the isothermal process(Work done on/by the system)
âđž ⤠ââđ
(no change in đ)
Figure 8.2 Piston8.6 The Gibbs Function
đ đŽ = âđēđ đģ + đŊđ đˇ
đšđ¸
đģ ⤠đ đē
Consider a system in a surrounding environment that constitutes a
temperature and pressure reservoir. Most chemical reactions and some phase changes take place in this way.
â đšđŽ = âđŧ + đˇđ đŊ â đģđ đē ⤠đ
đ°đ, đģ = đˇ = đĒđđđđ. âđŽ)
đģ,đˇâ¤ đ
8.6 The Gibbs Function
Change in G
âđž
đđ⤠ââđŽ (no change in đ, đ)
âđŽ =
Maximum energy available for work in the isothermal, isobaric processđģđ đē âĨ đ đŧ + đˇđ đŊ + âđž
đđđâđđđđâđž
đđđâđđđđ⤠â âđŧ + đˇâđŊ â đģâđē = ââđŽ