自由エネルギー

テンプレート:Redirect {{#invoke:Sidebar |collapsible | bodyclass = plainlist skin-invert-image | titlestyle = padding-bottom:0.3em;border-bottom:1px solid #aaa; | title = 熱力学 | imagestyle = display:block;margin:0.3em 0 0.4em; | image = | caption = 古典的テンプレート:仮リンク | listtitlestyle = background:#ddf,;text-align:center;color: light-dark(black,white); | width = 256px | expanded =

| list1name =branches | list1title = 分野 | list1 = テンプレート:Startflatlist

• 熱力学
• 統計力学
• 熱化学

• 平衡熱力学テンプレート:\非平衡熱力学

| list2name = laws | list2title = 熱力学の法則 | list2 = テンプレート:Startflatlist

• 第零法則
• 第一法則
• 第二法則
• 第三法則

| list3name = systems | list3title = 系 | list3 =

テンプレート:Sidebar

| list4name = sysprop | list4title =系の特性

| list4 =

注: 斜体はテンプレート:仮リンクを示す。

テンプレート:Sidebar

| list5name = material | list5title = テンプレート:仮リンク | list5 =

比熱容量	$c=$	$T$ $\partial S$ $N$ $\partial T$
圧縮率	$\beta =-$	$1$ $\partial V$ $V$ $\partial p$
熱膨張	$\alpha =$	$1$ $\partial V$ $V$ $\partial T$

| list6name = equations | list6title = テンプレート:仮リンク | list6 = テンプレート:Startflatlist

• カルノーの定理
• クラウジウスの定理
• テンプレート:仮リンク
• 理想気体の状態方程式
• マクスウェルの関係式
• オンサーガーの相反定理
• テンプレート:仮リンクテンプレート:Endflatlist

| list7name = potentials | list7title = 熱力学ポテンシャル | list7 = テンプレート:Startflatlist

• 自由エネルギー
• テンプレート:仮リンク

| list8name = hist/cult | list8title = テンプレート:Hlist | list8 =

テンプレート:Sidebar

| list9name = scientists | list9title = 科学者 | list9 = テンプレート:Startflatlist

• ベルヌーイ
• ボルツマン
• カルノー
• クラペイロン
• クラウジウス
• カラテオドリ
• デュエム
• ギブズ
• フォン・ヘルムホルツ
• ジュール
• マクスウェル
• フォン・マイヤー
• オンサーガー
• ランキン
• スミートン
• シュタール
• トンプソン
• トムソン
• ファン・デル・ワールス
• ウォーターストン

| below =

}} テンプレート:統計力学 自由エネルギー（じゆうエネルギー、テンプレート:Lang-en-short）とは、熱力学における状態量の1つであり、化学変化を含めた熱力学的系の等温過程において、系の最大仕事(潜在的な仕事能力)、自発的変化の方向、平衡条件などを表す指標となる。

自由エネルギーは1882年にヘルマン・フォン・ヘルムホルツが提唱した熱力学上の概念で、呼称は彼の命名による。一方、等温等圧過程の自由エネルギーと化学ポテンシャルとの研究はウィラード・ギブズにより理論展開された。 等温等積過程の自由エネルギーはヘルムホルツの自由エネルギー（テンプレート:Lang）と呼ばれ、等温等圧過程の自由エネルギーはギブズの自由エネルギー（テンプレート:Lang）と呼びわけられる。ヘルムホルツ自由エネルギーは F で表記され、ギブズ自由エネルギーは G で表記されることが多い。両者は G = F + pV の関係にある。

熱力学第二法則より、系は自由エネルギーが減少する方向に進行する。また、閉じた系における熱力学的平衡条件は自由エネルギーが極小値をとることである。

ヘルムホルツの自由エネルギー

テンプレート:Main ヘルムホルツエネルギーは、系の内部エネルギーをテンプレート:Mvar、熱力学温度をテンプレート:Mvar、エントロピーをテンプレート:Mvar としてテンプレート:Indent で定義され、その全微分はテンプレート:Indent となる。ここでテンプレート:Mvarは圧力、テンプレート:Mathは成分テンプレート:Mvarの化学ポテンシャル、テンプレート:Mathは成分テンプレート:Mvarの物質量である。

温度 テンプレート:Math の環境にある系が状態 テンプレート:Math から テンプレート:Math へと変化するとするとき、系が外部にする仕事 テンプレート:Mvar には上限 テンプレート:Math が存在する。テンプレート:Mathはヘルムホルツエネルギーを用いてテンプレート:Indent と表される。自発的変化など系が外部に仕事を行わない場合は、テンプレート:Indent となり、ヘルムホルツエネルギーが減少する方向へ進む。ヘルムホルツエネルギーが極小値をとるとき、系は平衡状態となる。

ギブズの自由エネルギー

テンプレート:Main ギブズエネルギーは、系の内部エネルギーを テンプレート:Mvar 、熱力学温度をテンプレート:Mvar、エントロピーをテンプレート:Mvar 、圧力をテンプレート:Mvar、体積をテンプレート:Mvarとして、テンプレート:Indentで定義され、その全微分は テンプレート:Indent となる。ここでテンプレート:Mathは成分テンプレート:Mvarの化学ポテンシャル、テンプレート:Mathは成分テンプレート:Mvarの物質量である。また、ギブズエネルギーと化学ポテンシャルの間にはテンプレート:Indent の関係がある。等温等圧条件下において系の自発的変化が起きるとき、テンプレート:Indent となり、ギブズエネルギーが減少する方向へ進む。ギブズエネルギーが極小値をとるとき、系は平衡状態となる。

参考文献

• テンプレート:Cite book
• テンプレート:Cite book

関連項目

• ヘルムホルツの自由エネルギー
• ギブズの自由エネルギー
• 化学ポテンシャル
• エクセルギー

外部リンク

• テンプレート:Cite web
• テンプレート:Cite web