헤르만 루트비히 페르디난트 폰 헬름홀츠(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821년~1894년)

[管韻]

헤르만 루트비히 페르디난트 폰 헬름홀츠(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821년~1894년)

헤르만 루트비히 페르디난트 폰 헬름홀츠(독일어: Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821년-1894년)는 독일의 생리학자, 철학자이자 물리학자다. 생리학과 생리심리학 분야에서 헬름홀츠는 공간의 인지, 시각이론, 음향의 인지 등 생리광학 및 생리음향학에 기여하였다. 물리학 분야에서는 열역학 이론 정립에 기여하였으며 전기역학 및 열화학, 유체역학 등에 업적을 남겼다. 독일의 가장 큰 과학자 조직인 헬름홀츠 협회(독일어: Helmholtz-Gemeinschaft)는 헬름홀츠의 이름을 딴 것이다.

어떤 물질계가 주위에 대해 가역적으로 유효하게 사용할 수 있는 에너지를 총칭하며, 내부에너지 U의 르장드르 변환으로부터 얻어진다. 쉽게 말하자면, 가지고 있는 에너지 중 실제로 일로 변환될 수 있는 에너지라고 할 수 있다.

여기서의 '가역적'은 화학 반응에서 사용하는 가역성과는 조금 다른 개념으로, 쉽게 설명하자면 미소량의 조건 변화만으로도 역반응이 일어날 수 있는 상태를 말한다. 이런 상태는 이론적으로만 존재하며 현실에서는 실현이 불가능하다.

2. 정의

헬름홀츠 자유 에너지와 깁스 자유 에너지 두가지가 있다. 헬름홀츠 자유 에너지는 등적의 상태(부피가 일정한 용기 안에 갇힌 기체의 반응 등)에서 주로 사용되고, 깁스 자유 에너지는 등압의 상태(등적상태를 가정하기 어려운, 열린 공간에서 고체나 액체의 반응)에서 사용된다.

내부 에너지를 U, 엔탈피를 H, 절대온도를 T, 엔트로피를 S 라고 할 때, 자유에너지의 정의는

* 깁스 자유에너지 G=H−TS G=H-TS G=H−TS

* 헬름홀츠 자유 에너지 A=U−TS A=U-TS A=U−TS

각각 내부 에너지 또는 엔탈피에서 TS TS TS 항을 뺀 것으로, 흔히 자유 에너지란 계의 내부 에너지 중에 실제 일로 변환 가능한 에너지양을 뜻한다고 해석된다.

또한 양변을 T T T로 나눠보면 우변은 엔트로피의 양대 구성요소인 열엔트로피와 configurational 엔트로피로 된다는 것을 알 수 있다. 즉, 자유 에너지는 반응이 자발적인지의 지표가 될 수 있다는 것도 이해할 수 있다.