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亥姆霍茲函數意味什麼

科技更新时间:2025-02-23 08:51:59

亥姆霍茲自由能

Helmholtz free energy

又稱：亥姆霍茲函數（Helmholtz function）

定義：系統的狀态函數。其定義為：A=U-TS，式中U、S分别為系統的内能和熵，T為系統的熱力學溫度。

學科：化學_物理化學_化學熱力學

相關名詞：吉布斯自由能麥克斯韋關系自由能

來源：全國科學技術名詞審定委員會

亥姆霍茲函數意味什麼（科技名詞什麼是亥姆霍茲自由能）1

圖片來源：視覺中國

亥姆霍茲自由能是人們為封閉系統的等溫等容過程引入的一個熱力學量。它本身是一個狀态函數，與過程無關，并且在任何過程（不僅是等溫等容過程）中都是存在的。

亥姆霍茲自由能的符号為A，定義式為A=U-TS（其中U、T、S分别是系統的内能、溫度和熵），單位為焦耳。可以看出，等式右側均為狀态函數且與過程無關，因此亥姆霍茲自由能就是一個狀态函數。

既然已經有了這些狀态函數，為什麼還要引入亥姆霍茲自由能這一經過簡單計算即可得到的量呢？答案很簡單——方便。根據“熵”的概念，我們知道，對于孤立體系或是封閉體系的絕熱過程，系統的熵永遠不會減少，這是對熱力學過程方向性的判據。而在日常生産生活中，封閉體系的絕熱過程是很少見的，而等溫等容的過程則是常見的。在這種情況下，德國物理學家、數學家亥姆霍茲（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz，1821—1894）經過計算發現，用U-TS這一組合也能起到相同的判斷過程方向性的作用。為了使用方便，他将其定義為亥姆霍茲自由能，用符号A表示。對于一個隻做體積功的封閉體系，在等溫等容條件下，體系的亥姆霍茲自由能永不增加（和熵恰好相反）。之所以将其稱為“自由能”，是因為這部分能量是系統在等溫等容條件下能夠對外做功的那一部分能量，它可以“自由地”轉變為除體積功外任何其他形式的做功。

無獨有偶，美國物理化學家吉布斯（Josiah Willard Gibbs，1839—1904）在另一種常見的等溫等壓過程中同樣發現了這樣一種組合：H-TS（H為系統的焓；T為溫度；S為系統的熵），他将其定義為吉布斯自由能，用符号G表示，用來判斷等溫等壓過程的方向性。

亥姆霍茲自由能和吉布斯自由能的引入，是熱力學第一、第二定律的延伸，既在理論上豐富了熱力學的内容，又在應用上得到了極大的方便：人們在判斷等溫等容和等溫等壓條件下過程的方向性時，不必考慮環境的變化，隻需考慮系統自身的這一狀态函數的變化即可。

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