Helmholtzi vabaenergia

Helmholtzi vabaenergia ehk Helmholtzi energia on Hermann von Helmholtzi järgi nimetatud termodünaamiline olekufunktsioon, mis olekuparameetrite temperatuuri ${\displaystyle T}$, ruumala ${\displaystyle V}$ ja termodünaamilises süsteemis sisalduva ainehulga ${\displaystyle n_{i}}$ funktsioonina määrab täielikult süsteemi termodünaamilised omadused. Neid olekuparameetreid kui sõltumatuid muutujaid nimetatakse ka vaba energia loomulikeks muutujateks (ingl natural variables).

Entroopia ${\displaystyle S}$, rõhk ${\displaystyle p}$ ja keemiline potentsiaal ${\displaystyle \mu _{i}}$ avalduvad sel juhul Helmholtzi energia ${\displaystyle F(T,V,n_{i})}$ osatuletistena ${\displaystyle S=\partial F/\partial T,\;p=\partial F/\partial V,\;\mu _{i}=\partial F/\partial n_{i}}$.

Helmholtzi vaba energia on võrdne süsteemi siseenergiaga ${\displaystyle U}$, millest on lahutatud süsteemi absoluutse temperatuuri ${\displaystyle T}$ ja entroopia ${\displaystyle S}$ korrutis:

${\displaystyle F=U-T\,S}$.

Molaarne vaba energia (ühik J/mol) on vaba energia ainehulga ${\displaystyle n_{i}}$ kohta:

${\displaystyle F_{m}={\frac {F}{n_{i}}}}$.

Vaba erienergia (ühik J/kg) on vaba energia massi ${\displaystyle m}$ kohta

${\displaystyle f={\frac {F}{m}}}$.

Süsteemis, mille temperatuur ja maht püsib muutumatuna, kulgevad pöördumatud protsessisd Helmholtzi energia vähenemise suunas, kusjuures termodünaamilise tasakaalu olukorras on vaba energia väärtus väikseim. Isotermilises protsessis on Helmholtzi energia muutus avaldatav kujul

${\displaystyle F_{1}-F_{2}\geq A,}$

kus ${\displaystyle F_{1}}$ ja ${\displaystyle F_{2}}$ on vastavalt vaba energia alg- ja lõppväärtus ja ${\displaystyle A}$ on süsteemi töö; võrdus kehtib pöörduva protsessi ja võrratus pöördumatu protsessi korral.

Kui kasutatakse terminit vabaenergia või vaba energia ilma nimelise täpsustuseta, siis mõeldakse üldiselt Helmholtzi vabaenergiat.^[1]