O que é a Energia Livre de Helmholtz?

A Energia Livre de Helmholtz é uma grandeza termodinâmica que representa a quantidade máxima de trabalho que um sistema termodinâmico pode realizar a temperatura constante e pressão variável. Ela recebe esse nome em homenagem ao físico alemão Hermann von Helmholtz, que foi o primeiro a propor o seu conceito em 1882.

A Energia Livre de Helmholtz é uma função de estado, ou seja, depende apenas do estado atual do sistema e não do caminho percorrido para chegar a esse estado. Ela é uma medida da disponibilidade de energia em um sistema para realizar trabalho e pode ser usada para prever se uma reação química é espontânea ou não.

Como calcular a Energia Livre de Helmholtz?

A Energia Livre de Helmholtz é dada pela seguinte equação:

F = U – TS

Onde F é a Energia Livre de Helmholtz, U é a Energia Interna do sistema, T é a temperatura absoluta e S é a Entropia do sistema. A Energia Livre de Helmholtz pode ser calculada a partir dos valores medidos ou calculados para a Energia Interna e Entropia do sistema.

A partir da Energia Livre de Helmholtz, é possível calcular outras grandezas termodinâmicas, como o potencial químico e a variação de energia livre associada a uma reação química.

Exemplo de cálculo da Energia Livre de Helmholtz

Suponha que um gás ideal é submetido a uma expansão isobárica a 25°C, de um volume de 1 L para 2 L. Se a Energia Interna do gás é de 500 J e sua Entropia é de 0,02 J/K, qual é a Energia Livre de Helmholtz do sistema?

Usando a equação F = U – TS, temos:

F = 500 J – 298 K x 0,02 J/K
F = 494 J

Portanto, a Energia Livre de Helmholtz do sistema é de 494 J. Esse valor pode ser usado para prever se a expansão do gás é espontânea ou não.

Aplicações da Energia Livre de Helmholtz

A Energia Livre de Helmholtz é muito utilizada em química e engenharia química para prever se uma reação química é espontânea ou não. Se a variação da Energia Livre de Helmholtz associada a uma reação for negativa, significa que a reação é espontânea e ocorrerá sem a necessidade de uma fonte externa de energia.

A Energia Livre de Helmholtz também é importante para o projeto e otimização de processos termodinâmicos, pois permite determinar as condições termodinâmicas ideais para maximizar a eficiência do processo. Além disso, ela é utilizada para calcular a equação de estado de um sistema termodinâmico, que é fundamental para entender o comportamento de gases e líquidos em diferentes condições de temperatura e pressão.