ギブズエネルギーの基礎と熱力学における役割

ギブズエネルギー（Gibbs energy）は、熱力学や電気化学において、等温等圧条件下で系から取り出し可能な「非膨張の仕事」の最大量を表す示量性状態量です。アメリカの物理学者ウィラード・ギブズにちなんで命名されました。IUPAC（国際純正・応用化学連合）では「ギブズエネルギー」という名称の使用が推奨されています。

定義

ギブズエネルギー G は、エンタルピー H、熱力学温度 T、エントロピー S を用いて以下の式で定義されます。

また、ヘルムホルツエネルギー F、圧力 p、体積 V を用いた定義や、内部エネルギー U を含めた表現も用いられます。

熱力学における性質

温度 T、圧力 p、物質量 N を変数とするギブズエネルギー G(T, p, N) は、完全な熱力学関数です。これはエンタルピー H(S, p, N) のルジャンドル変換として解釈されます。

ギブズエネルギーの全微分は、化学熱力学の基本方程式として知られています。

化学反応の自発性と平衡

等温等圧条件下において、非膨張の仕事が存在しない場合、系はギブズエネルギーが減少する方向へ自発的に変化します。平衡状態ではギブズエネルギーが極小値をとります。

化学反応における標準反応ギブズエネルギー ΔG° と平衡定数 K の間には、以下の関係が成り立ちます。