自由能與自發性
非膨脹功(non-expansion work)
非膨脹功,是系統真正能拿來做的、與「單純鼓脹起來把周圍空氣推開」毫無關係的那部分有用功。氣體膨脹時會把大氣頂回去——那叫膨脹功,通常只是白白花掉的開銷,不是你能利用的東西。除此之外的一切——驅動馬達、點亮燈泡、泵送離子、合成分子——都是非膨脹功,是值得留下的那一種。
乾淨的定義是:除了改變系統體積的那份壓強—體積功之外的任何功。最具代表性的例子是電功,比如電池輸出的電流。熱力學之所以把它單獨拎出來,是因為一個漂亮的結論——在恆溫、恆壓下,一個過程所能產出的最大非膨脹功,等於其吉布斯自由能的下降量 ΔG。
它為什麼重要:這正是吉布斯能之所以是化學與生物裡那枚正確「貨幣」的確切緣由。它已經把對抗大氣那份不可避免的膨脹功扣除掉,只報出有用的餘額。一句老實話:你只有沿可逆路徑才能把整份 ΔG 當作功收下;任何真實的、以有限速度進行的過程,都會把其中一部分當作廢熱漏掉,產出更少。
燃料電池把氫和氧變成水,並把這反應的自由能當作電收穫下來——這就是非膨脹(電)功。把同樣的氣體在敞開的火焰裡燒掉,那份本可利用的功就當作熱白白揮霍了。
ΔG 是你能收下的有用(非膨脹)功的上限。
不同教材叫法不一:「附加功」「有用功」「非 pV 功」以及符號 w_e,指的都是同一個概念。關鍵的對照永遠是相對於膨脹或壓縮的那份壓強—體積功。
又稱
另見