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Freie Energie

Die Freie Energie F (auch Helmholtz-Potential, Helmholtzsche freie Energie oder Helmholtz Energie) ist die Energie, die man benötigt, um ein System zu generieren, das bei definierter Temperatur T im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung steht.

Die für Chemie zuständige IUPAC sieht die Bezeichnung Helmholtz Energie vor mit dem Formelzeichen A, obwohl A bereits für den mathematischen Flächeninhalt reserviert ist und auch gelegentlich für die Energie (Arbeit) benutzt wird. In der Physik hingegen bleiben nach Empfehlung der IUPAP der Begriff Freie Energie und das Formelzeichen F weiterhin gültig.

Der Name Helmholtz-Energie ist nach dem Physiker Hermann von Helmholtz gewählt.

U ist hierbei die Innere Energie, S die Entropie, T die absolute Temperatur des Systems. Im Folgenden werden auch Druck, p, und chemisches Potential, μ, benutzt:

ist die differentielle Form für die Helmholtz-Energie, das heißt, dass in einem Versuch Temperatur, Volumen und Teilchenzahl die zu kontrollierenden natürlichen Variablen sind, um F zu ändern (dagegen besitzt die Innere Energie die natürlichen Variablen S, V und N). Isotherme Differenzen der Arbeit (d.h. bei konstanter Temperatur), , lassen sich unter Berücksichtigung des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik nur im Spezialfall als solche der Inneren Energie oder der Enthalpie berechnen, für T > 0 dagegen nur mit der Helmholtz-Energie. Präzise gilt:

Die Änderung der Freien Energie entspricht bei isothermen Prozessen der maximalen Arbeit, die ein System leisten kann.

Siehe auch: charakteristische Funktion (Physik), thermodynamisches Potential