通俗讲解：化学势

化学势是热力学中的一个核心概念，用来描述物质在特定条件下的“能量状态”或“转移趋势”。

在热力学中，某种物质的化学势指的是，在化学反应或者相变中，此物质的粒子数发生改变时所吸收或放出的能量。

在混合物中的某种物质的化学势定义为此热力学系统的吉布斯自由能对此物质粒子数的变化率，即偏导数（其他物质的粒子数及其他系统参数保持不变）。

当温度和压强固定时，化学势也被称作偏摩尔吉布斯自由能，或者摩尔化学势。数学表达：化学势是吉布斯自由能（G）对物质粒子数（n）的偏导数，即 μ = ∂G/∂n（恒温恒压条件下）。

在化学平衡或相平衡状态下，自由能处于极小值，各种物质的化学势与化学计量系数乘积之和为零。

在半导体物理中，零温电子系统的化学势被称为费米能。

它的核心目的是预测物质的流动方向、判断系统是否处于平衡状态，并解释自然界中常见的相变、扩散、化学反应等现象。通俗讲解对比化学势大小为物质“逃离”当前环境的趋势大小进行判断。就像水从高处流向低处一样，物质会自发从化学势高的区域转移到化学势低的区域，直到两处化学势相等（平衡状态）。

类比：

温度是热量传递的驱动力（高温→低温）；

压强是体积变化的驱动力（高压→低压）；

化学势则是物质转移的驱动力（高化学势→低化学势）。

粒子总是趋向于从高化学势流向低化学势，因而，化学势可视为物理中“势能”概念的推广。当一个球从山上滚下，它从高重力势（有更多的做功“趋势”）跑到了低重力势的区域。同样，分子在运动、发生化学反应、溶解、融化等过程中，它们总是趋向于自发的从高化学势的状态变到低化学势的状态，相应的，此分子的粒子数会发生变化，而粒子数是化学势的共轭变量。

一个简单的例子是，一个稀疏气体分子体系在一个均匀环境中的扩散过程。在这个过程中，分子会自发的从高密度分布区域扩散到低密度分布的区域，直到此分子在各处的分布密度都相等。

我们可以用机械运动的理论对分子的随机运动做微观解释，但是，如果用化学势来理解这个过程则显得更加简单方便：在确定的温度下，一个分子在高密度区域有更高的化学势，而在低密度区域的化学势则较低。当分子从高化学势区域流到低化学势区域时，就会释放自由能，因此这是一个自发的过程。

另一个例子是相变过程。我们可以认为，在0°C以上时，水分子的液相（液态水）具有更低的化学势，而固相（即冰）化学势更高，冰化为水则是从高化学势变为低化学势，而在0°C以下时则正好相反。而正好处于0 °C的冰水混合物，固相和液相的化学势则是正好相等的，系统处于平衡。