亥姆霍茨自由能

热力学领域术语

亥姆霍茨自由能，热力学领域术语，亥姆霍兹（von Helmholz, H.L.P.,1821~1894,德国人）定义了一个状态函数：A=U-TS。A 称为亥姆霍兹自由能（Helmholz free energy），是状态函数，具有容量性质。

亥姆霍兹自由能的引出原因

从热力学第一定律和第二定律，我们分别得到了两个状态函数----内能和熵，为便于处理热化学问题，定义了辅助状态函数----焓。并得到了熵判据：。

但用熵判据判断过程的方向时，必须是隔离体系，或者是考虑环境的封闭体系，这很不方便。因此，有必要引入新的函数，利用体系自身的某种变化值判断其自发变化的方向，而不用考虑环境。为此亥姆霍兹和吉布斯分别定义了两个新的函数，这两个函数和焓一样，都是人为定义的辅助函数，不是热力学定律的直接结果，但它们都是体系自身的性质，是状态函数。

结合第一定律和第二定律，得，因T>0，故有：，该式在不同的条件下，有不同的表现形式。

亥姆霍兹自由能和亥姆霍兹自由能判据

亥姆霍兹自由能：

或

(等温，可逆 )

或。

即：等温、可逆过程中，体系对外所作的最大功等于体系亥姆霍兹自由能的减少值，所以把 A 称为功函（work function）。若是不可逆过程，体系所作的功小于A 的减少值。

如体系在等温、等容且不作其它功的条件下

或。

等号表示可逆过程，不等号表示是一个自发的不可逆过程，即自发变化总是朝着亥姆霍兹自由能减少的方向进行。这就是亥姆霍兹自由能判据。

此式的意义是：在等温可逆过程中,封闭体系的亥姆霍兹自由能的减少等于体系对外所得做的最大功（含体积功和非体积功）。故亥姆霍兹自由能可视为等温条件下体系作功的本领。这是该函数被称为功焓的原因。若过程不可逆，则体系亥姆霍兹自由能的增加小于体系所获得的功。因而,可用该式来判断过程的方向性。

若体系经历一个等温等容过程，则：

即：。这说明在等温等容过程中，体系亥姆霍兹函数的增加小于等于体系所获得的非体积功，或体系亥姆霍兹函数的减少大于等于体系对外所做的非体积功( )。

若体系在等温等容且不做其它功的情况下，则：。这就是亥姆霍兹自由能判据。

亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能的区别

（1）亥姆霍兹自由能(Helmholtz free energy)：F=U-TS

U 是系统的内能，T 是温度，S 是熵。

吉布斯自由能(Gibbs free energy)：G=H-TS

H为焓，S为熵，T为当前温度。

由于吉布斯自由能 G 可以表示为 G = F + pV，另有G = μN，所以F = μN – pV；

（2）亥姆霍兹自由能的微分形式是：dF = - SdT -PdV + μdN，其中 P 是压强，V 是体积，μ是化学势，在统计物理学中，亥姆霍兹自由能是一个最常用的自由能，因为它和配分函数Z直接关联：F = -kTlnZ

吉布斯自由能的微分形式是：dG = − SdT + Vdp + μdN，其中μ是化学势，也就是说每个粒子的平均吉布斯自由能等于化学势；ΔG叫做吉布斯自由能变（吉布斯自由能判据）。吉布斯自由能的变化可作为恒温、恒压过程自发与平衡的判据。吉布斯自由能改变量。表明状态函数G是体系所具有的在等温等压下做非体积功的能力。反应过程中G的减少量是体系做非体积功的最大限度。这个最大限度在可逆途径得到实现。

（3）反应进行方向和方式判据。（功函判据）

亥姆霍兹函数是一个重要的热力学参数，等于内能减去绝对温度和熵的乘积：两个状态差值的负数等于一个可逆等温等容过程的最大功输出。

亥姆霍兹自由能是等温下做所有功的能力，亦称功函。

吉布斯自由能是等温等压下除体积功以外的功的能力。

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