Physikalische Bedeutung von UUU (Innere Energie), HHH (Enthalpie), FFF (Freie Energie) und GGG (Gibbs Freie Energie)? [geschlossen]

Formal sind diese Größen – Helmholtz-freie Energie$F(T, V, N)$, Gibbs freie Energie$G(P, T, N)$, und Enthalpie$H(P, V, N)$-- sind Legendre-Transformationen der inneren Energie$U(S, V, N)$. Dies dient dem Zweck, ein thermodynamisches System zu behandeln, das verschiedene Größen als unabhängige Variablen betrachtet, wie Sie erwähnt haben. Die physikalische Bedeutung dieser thermodynamischen Potentiale hat also mit den verschiedenen Arten von Beschränkungen zu tun, die man einem System auferlegen kann, und wie diese Beschränkungen den Gleichgewichtszustand beeinflussen.

Betrachten wir zuerst diejenige, die Sie als die körperlich bedeutsamste betrachten, die innere Energie. Wenn ein System thermisch isoliert ist – das heißt, es kann keine Wärme mit seiner Umgebung austauschen, und so grob gesagt sollte seine Entropie konstant bleiben – wissen wir, dass der vom System erreichte Gleichgewichtszustand der Zustand minimaler innerer Energie ist (diese Behauptung ist äquivalent zu der am weitesten verbreiteten, die besagt, dass in einem isolierten System, das keinerlei Energie mit seiner Umgebung austauschen kann, der Gleichgewichtszustand die Entropie maximiert). Die innere Energie scheint also wirklich so zu sein, wie man sie erwartet: Sie ist die Größe, die von einem System extremiert wird, das keine Wärme mit seiner Umgebung austauschen kann, so wie in der klassischen Mechanik die potentielle Energie im Gleichgewichtszustand extremisiert wird. Die Behauptung, dass die innere Energie ein Maß für die kinetische Energie und damit die Temperatur ist, ist zu stark vereinfacht und gilt wirklich nur für das klassische ideale Gas, bei dem Sie alle Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen des Gases vernachlässigen. In einer allgemeineren Beschreibung ist die innere Energie im Wesentlichen die Gesamtenergie (unter Berücksichtigung der kinetischen Energie).und potentielle Energie), die im System gespeichert sind.

Stellen Sie sich nun vor, dass Sie das System, anstatt es thermisch isoliert zu lassen – das heißt, seine Entropie konstant zu halten – mit einem Thermalbad in Kontakt bringen, das seine Temperatur konstant hält . Nun werden weder innere Energie noch Entropie im System konstant gehalten; Das System wird dann dazu neigen, einen physikalischen Zustand zu erreichen, in dem es eine Größe extremiert, die sowohl die Entropie als auch die innere Energie zusammenbringt, und dies ist zufällig genau die freie Helmholtz-Energie.

Die freie Helmholtz-Energie kann auch als Maß für die "nützliche" Energie interpretiert werden, die einem System bei konstanter Temperatur entzogen werden kann - die Arbeit, die Sie einem System bei konstanter Temperatur entziehen können, kann nur kleiner oder gleich (minus ) die Änderung der freien Helmholtz-Energie. Sie können dann versuchen, die Formel zu interpretieren$F = U - TS$als Ausdruck der Gesamtenergie des Systems ($U$), abzüglich der "nutzlosen" Energie, die ungeordnet gespeichert ist und zur Entropie beiträgt ($TS$). Die freie Helmholtz-Energie spielt eine zentrale Rolle im kanonischen Ensemble und auch in Landaus Theorie der Phasenübergänge zweiter Ordnung; Vielleicht möchten Sie auch einen Blick auf diese Themen werfen.

Stellen Sie sich nun vor, Sie bringen Ihr System in Kontakt mit einem Druckreservoir (analog zu einem Thermalbad, wenn Sie den Druck in Ihrem System konstant halten wollen). Das bedeutet im Wesentlichen, dass das System nun mechanische Arbeit mit seiner Umgebung austauschen kann, was Einfluss darauf hat, wie das System seinen Gleichgewichtszustand erreicht. Grob gesagt möchten Sie in diesem Fall die innere Energie des Systems plus die Menge an Arbeit, die gegen das Druckreservoir verrichtet werden musste, um das System in diese Konfiguration zu bringen, extremisieren, und genau das wird berücksichtigt denn in der Enthalpie$H = U + PV$; Wenn Sie eine schnellere Erklärung wünschen, überprüfen Sie die oben genannte Antwort. Was genau ist Enthalpie? .

Was die freie Gibbs-Energie betrifft, so ist sie nach dem oben Gesagten besonders nützlich, wenn das System sowohl Wärme austauschen als auch mit seiner Umgebung arbeiten kann, die nun sowohl als Druck- als auch als Temperaturspeicher betrachtet werden soll. Jetzt berücksichtigen Sie beide oben beschriebenen Effekte: die gesamte innere Energie$U$, die "nutzlose" Energie, die durch Unordnung des Systems verloren geht$-TS$, und die gegen den Druckspeicher verrichtete Arbeit$PV$. Ich würde Ihnen wirklich empfehlen, die Antworten in Gibbs Intuition für freie Energie zu lesen , um eine tiefere Beschreibung davon zu erhalten.

U, F, G und H werden manchmal als thermodynamische Potentiale bezeichnet. Eine schöne (meiner Meinung nach) Erklärung der physikalischen Bedeutung dieser Eigenschaften in Bezug auf Entropie (S) und Systemarbeit findet sich auf der Hyperphysics-Website unter "Thermodynamische Potentiale".

Hoffe das hilft.