Khái niệm năng lượng tự do Helmholtz làm tôi đau đầu quá trời, và tôi nghĩ lý do chính là tôi không có nhiều ví dụ cụ thể về các hiện tượng vật lý để nghĩ đến khi suy ngẫm về năng lượng tự do Helmholtz.
Tôi hiểu rằng năng lượng tự do Helmholtz, F, của một hệ chỉ có thể giảm trong một hệ ở nhiệt độ và thể tích không đổi (nói thêm, nhiệt độ không đổi trong câu này có nghĩa là nhiệt độ của hệ, nhiệt độ của môi trường xung quanh hay cả hai?). Chúng ta có thể thấy điều này bằng cách xem xét sự thay đổi của F ở nhiệt độ không đổi, đơn giản là ΔF=ΔS_sys−TΔS_sys
Hiện tại, bất cứ khi nào tôi nghĩ về một hệ có thể tích và nhiệt độ không đổi, chỉ có một quá trình tôi có thể nghĩ đến có thể dẫn đến ΔF<0. Thật ra, tôi chỉ có thể nghĩ đến một quá trình duy nhất có thể xảy ra trong những điều kiện hạn chế này. Quá trình tôi có thể nghĩ đến là sự trộn lẫn tự phát sẽ xảy ra nếu hệ bao gồm hai chất khí chưa trộn lẫn, được ngăn cách bởi một vách ngăn mỏng có một lỗ ở giữa. Theo thời gian, các hạt sẽ trộn lẫn và do đó ΔS_sys>0 nhưng ΔU_sys=0 và do đó ΔF<0. Trong trường hợp này, định luật thứ hai cấm các hạt không bao giờ trộn lẫn và do đó, việc nói rằng chúng ta cần ΔF<0 tương đương với việc nói rằng ΔS_universe>0. Nhưng sự tương đương này chỉ giới hạn trong các quá trình ở thể tích và nhiệt độ không đổi, mà ví dụ duy nhất tôi có thể nghĩ đến là sự trộn lẫn. Điều này khiến tôi cảm thấy như F là một khái niệm có phạm vi và ứng dụng cực kỳ hạn chế, điều này rõ ràng là không đúng. Vậy có bất kỳ ví dụ nào khác về các quá trình xảy ra ở nhiệt độ và thể tích không đổi mà tôi có thể sử dụng để nghĩ về F có xu hướng đạt giá trị tối thiểu theo thời gian không? Ngoài ra, nhiệt độ trong câu "F luôn phải giảm trong điều kiện nhiệt độ và thể tích không đổi" đề cập đến nhiệt độ của hệ, nhiệt độ của môi trường xung quanh, ranh giới giữa hai hoặc một số kết hợp của những thứ này?
Bất kỳ sự giúp đỡ nào về vấn đề này sẽ rất được trân trọng!
