Розглянемо енергію Гіббса як функцію температури і тиску:
G = f (T, P), (4.14)
а енергію Гельмгольца як функцію температури та об¢єму:
F = f (T, V). (4.15)
Виразимо повні диференціали функцій G i F через частині похідні :
(4.16)
(4.17)
З іншого боку,
dG = - SdT + VdP, (4.18)
dF = -SdT – PdV. (4.19)
Порівнюючи ці рівняння, отримуємо
Отримані співвідношення дозволяють вивести низку важливих рівнянь хімічної термодинаміки. Збільшення енергії Гіббса або енергії Гельмгольца можна виразити рівностями:
DG = DH - TDS, (4.20)
DF = DU - TDS.
Але у відповідності до отриманих співвідношень
і
Отже,
і . (4.21)
Ці рівняння називаються рівняннями Гіббса – Гельмгольца. Вони дозволяють виявити температурну залежність роботи, що здійснюється при проходженні будь-якого процесу. Дійсно, при V, T = const DF = -A¢M, DU = QV; при P, T = const DG = -A¢M, DH = QP. Звідси
і . (4.22)
Треба підкреслити, що QV i QP належать до повністю нерівноважного процесу, в якому робота дорівнює нулю. Робота, що не дорівнює нулю, була отримана у рівноважному процесі. Обидва процеси проходять між тими самими початковим та кінцевим станами. Таким чином, рівняння Гіббса-Гельмгольца встановлюють зв¢язок між тепловими ефектами нерівноважних процесів і максимальними роботами рівноважних процесів.
Розглянемо застосування рівнянь Гіббса-Гельмгольца на прикладі роботи гальванічного елемента, в якому проходить реакція
Zn + Cu2+ ® Cu + Zn2+.
Корисна робота у цьому процесі досягає максимальної величини, якщо його провести зворотно, додаючи, наприклад, у ланцюг зустрічну напругу, що нескінченно мало відрізняється від ЕРС нашого елемента. Робота перенесення електричного заряду дорівнює А = n×F×E, де n – валентність іону, F – стала Фарадея, E – електрорушійна сила елемента. Ця робота отримується як наслідок хімічної реакції, яка у даному випадку проходить термодинамічно зворотно. Можна цю саму реакцію провести повністю незворотньо, просто розчиняючи цинкову пластину і відновлюючи мідну. Тоді А= 0. Теплота, що виділяється (поглинається) у цьому процесі, дорівнює QP = DH. Рівняння Гіббса-Гельмгольца для даного процесу має вигляд
, (4.23)
звідки
(4.24)
тобто рівняння Гіббса-Гельмгольца дозволяє визначити залежність ЕРС гальванічного елемента від температури.