Свободная энергия есть функция состояния системы, убыль которой в квазистатическом изотермическом процессе равна работе, произведенной системой

Название «свободная энергия» родилась в те времена, когда создавалась теория тепловых машин. Исследования показали, что нагретый газ при охлаждении, что не делай, не отдает всю свою энергию. Ту долю энергии газа, которую можно было отобрать и превратить в полезную работу, стали называть свободной энергией.

Сади Карно сравнивал работу тепловых машин с работой водяного колеса. Подобно тому, как при падении воды потенциальная энергия воды преобразуется в кинетическую энергию вращения колеса, так и при самопроизвольном переходе теплоты от нагревателя к холодильнику часть тепловой энергии преобразуется в работу. В этом смысле теплота и работа эквивалентны между собой. Но если потенциальная энергия может полностью прейти в кинетическую, теплоту невозможно полностью преобразовать в работу при помощи периодически действующей тепловой машины. Таким образом, тепловую энергию, кроме количества, необходимо характеризовать еще и качеством. Качественной характеристикой тепловой энергии служит свободная энергия. Чем выше температура тела, тем выше качествозапасенной в нем тепловой энергии. Всякий естественно идущий необратимый процесс приводит к обесценению энергиив указанном выше смысле.

Часть тепловой энергии, равную TS, называют связанной энергией. Эту энергию ни при каких обстоятельствах нельзя превратить в работу.

Отметим еще одно отличие тепловой энергии от механической. Если тепловая энергии не может быть полностью преобразована в механическую, то механическая энергия может полностью перейти в тепловую. Такое происходит, например, при трении.

Тема 10. Тепловая теорема Нернста. Третье начало термодинамики