熱力学⑪ ギブス(GIbbs)の自由エネルギー
ギブスの自由エネルギーとは？その定義と意味
一般に化学反応は等温等圧過程での話を考えたほうが考えやすいですね。ギブスの自由エネルギーの定義
ギブスの自由エネルギーは以下のように定義されます。ギブスの自由エネルギー
と表されます。さて、ギブスの自由エネルギーが持つ意味について考えます。
\begin{align}
G&=F+pV\\
&=U-TS+pV
\end{align}
ギブスの自由エネルギーの微小変化
ギブスの自由エネルギーの微小量を考えると、$dS\geq\dfrac{d^\prime Q}{T},d^\prime W=-pdV$なので、\begin{align*}
dG
&=d(U-TS+pV)\\
&=dU-SdT-TdS+Vdp+pdV\\
&=(dU-TdS+pdV)-SdT+Vdp\\
&\leq(dU-d^\prime Q-d^\prime W)-SdT+Vdp
\end{align*}
となります。
化学反応の進行との関係
式の前半の括弧の部分は熱力学第一法則の式そのものであり、粒子数が一定の系では0になります。よって、粒子数一定の場合には，\begin{align}
dG\leq -SdT+Vdp
\end{align}
とすることができます。ここで、等温等圧過程を考えれば、$dT=0,dp=0$であり
\begin{align}
dG\leq 0
\end{align}
となります。つまり、等温等圧過程ではギブスの自由エネルギーが減少する方向に化学反応が進行します。そして極小の点(下に凸なので最小といってもいいです)で平衡状態に至ることがわかります。
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