ギブズ自由エネルギー：定義、式、平衡と自発性

定義と式

通常はGで表されるギブズ自由エネルギーは、巨視的熱力学ではG = H − TSという関係で定義される。ここでHはエンタルピー、Tは絶対温度、Sはエントロピーである。温度と圧力が一定の過程では、ギブズ自由エネルギーの変化はΔG = ΔH − TΔSで与えられる。ΔGが負であれば変化は自発的に進行し、正であれば自発的には進行せず、ΔG = 0は平衡に対応する。

意味と解釈

物理的には、ギブズ自由エネルギーは系のエネルギー量と無秩序さを組み合わせ、系から得られる最大の非膨張仕事を測る量である。多くの化学的・生物学的過程はおおむね一定の圧力と温度で起こるため、ΔGは反応の方向および進行の程度と直接関係する便利な指標となる。

用途と例

• 化学反応の自発性と平衡組成の予測。
• 工業化学プロセスの設計およびエネルギー効率の評価。
• ATP加水分解と共役する反応をΔGで解析する、生化学的経路の理解。
• 相転移（融解、蒸発）および電気化学セルの電圧の評価。

歴史と関連概念

この概念は、古典熱力学の一部として19世紀後半にジョサイア・ウィラード・ギブズによって発展させられた。これは複数ある熱力学ポテンシャルの一つである。ほかには、一定体積に適するヘルムホルツ自由エネルギーや、Gに対する各成分の寄与を表す化学ポテンシャルがある。統計力学では、ギブズ自由エネルギーは微視的な分配関数および確率と結び付き、分子の挙動と巨視的な観測可能量との橋渡しをする。

より専門的な議論と形式的な導出については、ギブズ自由エネルギーに関する参考資料などの外部資料を参照。