自由能与自发性

非膨胀功(non-expansion work)

非膨胀功,是系统真正能拿来做的、与「单纯鼓胀起来把周围空气推开」毫无关系的那部分有用功。气体膨胀时会把大气顶回去——那叫膨胀功,通常只是白白花掉的开销,不是你能利用的东西。除此之外的一切——驱动马达、点亮灯泡、泵送离子、合成分子——都是非膨胀功,是值得留下的那一种。

干净的定义是:除了改变系统体积的那份压强—体积功之外的任何功。最具代表性的例子是电功,比如电池输出的电流。热力学之所以把它单独拎出来,是因为一个漂亮的结论——在恒温、恒压下,一个过程所能产出的最大非膨胀功,等于其吉布斯自由能的下降量 ΔG。

它为什么重要:这正是吉布斯能之所以是化学与生物里那枚正确「货币」的确切缘由。它已经把对抗大气那份不可避免的膨胀功扣除掉,只报出有用的余额。一句老实话:你只有沿可逆路径才能把整份 ΔG 当作功收下;任何真实的、以有限速度进行的过程,都会把其中一部分当作废热漏掉,产出更少。

燃料电池把氢和氧变成水,并把这反应的自由能当作电收获下来——这就是非膨胀(电)功。把同样的气体在敞开的火焰里烧掉,那份本可利用的功就当作热白白挥霍了。

ΔG 是你能收下的有用(非膨胀)功的上限。

不同教材叫法不一:「附加功」「有用功」「非 pV 功」以及符号 w_e,指的都是同一个概念。关键的对照永远是相对于膨胀或压缩的那份压强—体积功。

又称
additional workuseful worknon-pV work其他功有用功