[科普中国]-巨热力学势

巨热力学势是统计力学中使用的一个量，特别是在开放系统的不可逆过程里使用。在统计力学中，它作为巨正则系综的特性函数出现。

定义巨热力学势一般记作或，其定义为

是内能，是系统的温度，是熵，是化学势，是系统中的粒子数。

巨热力学势1的改变量为

这里为压强，为体积。该等式推导过程中用到了热力学基本关系。

当系统达到热力学平衡，有最小值。这一点可由等温定容、化学势恒定的条件下自然得出。

朗道自由能一些文献中会提到朗道自由能或朗道势能：

这以俄罗斯物理学家列夫·朗道命名。视系统具体的定义，它可能是巨热力势的同义词。对于均相系统，一般有。

均相系的巨热力学势对于一标度伸缩不变的体系（即由个全同子系统组合而成的大系统）而言，当我们试图扩大此系统的体积而保持系统状态均一稳定时，必然有新的粒子和更多能量从粒子源涌入该系统。在这过程中，压强作为强度性质，将不随体积的变化而改变：

同时粒子数和其它的广延性质（内能、焓、熵等性质）将与系统的体积成正比：

由此容易得到

以及

对于巨热力势的一种直观的理解方式是，它等于我们在将系统“挤压”到体积为零的过程中所能获得的能量（注意，在此过程中，系统会将其全部粒子重新释放入粒子源中）。巨热力势是个负值，这是因为进行这种“挤压”实际上需要外界对系统做功。

不过，以上推导过程中用到的这种标度不变性在多数实际系统中并不存在。例如，对于单个分子甚或一块金属中所有电子所组成的系统，增加其体积并不改变其中的电子数目。一般而言，对于体积过小的系统，或各部分之间存在长程相互作用（所谓长程是指，作用发生的尺度不亚于热力学极限的尺度）的系统，。

理想气体的巨热力学势对于理想气体

这里是巨配分函数，是波尔兹曼常数，是粒子1的配分函数且等于。式中的是玻尔兹曼因子。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所