Смысл взаимосвязи изменений энтальпии, свободной энергии и энтропии

В химической термодинамике используются следующие термодинамические функции, которые соответствуют объединению I и II начал.

Свободная энергия Гиббса G определяет набор функций, описывающих обратимые изменения состояния при p = const.:

G = H – TS.

Здесь H энтальпия (иногда называют теплосодержанием), S – энтропия, T – температура.

Изменение свободной энергии Гиббса ∆ G есть мера максимально полезной работы, которая может совершится при изотермическом процессе. Соответственно, соотношение

∆ G = ∆ H – T∆ S

показывает, что изменение теплосодержания ∆ H системы не может быть полностью превращено в полезную работу. Произведение T∆ S называют связанной энергией, поскольку она ни при каких условиях не переходит в работу.

Аналогичным образом свободная энергия Гельмгольца F определяет набор функций, описывающие обратимые изменения состояния при V = const.:

F = U – TS.

Здесь U – внутренняя энергия, S – энтропия, T – температура. Соответственно,

∆ F = ∆ U – T∆ S.

Условие постоянства объёма для нас представляет незначительный интерес, поскольку практически всегда постоянно давление, но не объём.

Соотношения между функциями представляет следующая диаграмма[7] (рис. 4).

Рис.4. Схема соотношений между термодинамическими функциями, определяющими состояние системы.

Смысл максимально полезной работы и роли изменения энтропии при изотермическом процессе может пояснить следующая «притча о фараоне», которую автор рекомендует от своего имени как некоторую аналогию, ни в коей мере не претендующую на физическое существо.

Решил Фараон построить из камней пирамиду. Для того чтобы это сделать, надо совершить полную полезную работу для поднятия каждого i –го камня на его i –ю высоту в конструкции: А = ∑ m _i gh _i. Но для того, чтобы сделать это, нужно проложить дороги к месторождению камня, построить механизмы (блоки, рычаги, полиспасты и пр.), построить конструкторское бюро для инженеров, нанять массу надсмотрщиков, инженеров и всякого другого народа. Всех их надо кормить.

Вот пирамида построена. Полезная работа совершена. Это есть ∆ G. |‌ ‌ ∆ G|‌ ‌ ‌ ‌ = |А | (знаки здесь пока не важны). Но в системе одновременно появился и остался после строительства порядок (работа в нашем смысле, по поднятию тяжестей, здесь не совершалась - это плоскость, равнина в пустыне) – остались дороги, институты, ‌ ‌ появилась организация элементов системы. Изменилась её энтропия. Без этого никакая полезная работа совершиться не могла бы, это условие совершения полезной работы. А что такое ∆ H? А это те деньги, которые Фараон потратил на питание всех людей. И тех, которые таскали на себе камни вверх, в конструкцию (рабы), и тех, которые сидели в конторах или были надсмотрщиками и пр. (Т в современной теории обучающихся нейронных систем – это время).

Теперь подумаем, что значат потери на трение, обуславливающие необратимость. Это – элементарное воровство. Если у Фараона воруют, он зря истратит больше денег на свою пирамиду.

1.2.6 Применение термодинамических понятий в других областях науки