酸化還元自由エネルギー
物質Xが酸化されると
X + e- >>>> X- となる
このときの自由エネルギーの変化 ΔGは
ΔG=-nFΔE
E=E0 + RT/nF ln(X-/X)
酸化還元の場合のエネルギ-はギプスの自由エネルギ-より電位差を用いるほうが一般的
In thermodynamics, the Gibbs free energy (or Gibbs energy as the recommended name; symbol ) is a thermodynamic potential that can be used to calculate the maximum amount of work, other than pressure-volume work, that may be performed by a thermodynamically closed system at constant temperature and pressure. It also provides a necessary condition for processes such as chemical reactions that may occur under these conditions. The Gibbs free energy is expressed as(,)=+−=−Where:
- is the internal energy of the system
- is the enthalpy of the system
- is the entropy of the system
- is the temperature of the system
- is the volume of the system
- is the pressure of the system (which must be equal to that of the surroundings for mechanical equilibrium).
The Gibbs free energy change (Δ=Δ−Δ, measured in joules in SI) is the maximum amount of non-volume expansion work that can be extracted from a closed system (one that can exchange heat and work with its surroundings, but not matter) at fixed temperature and pressure. This maximum can be attained only in a completely reversible process. When a system transforms reversibly from an initial state to a final state under these conditions, the decrease in Gibbs free energy equals the work done by the system to its surroundings, minus the work of the pressure forces.[1]
The Gibbs energy is the thermodynamic potential that is minimized when a system reaches chemical equilibrium at constant pressure and temperature when not driven by an applied electrolytic voltage. Its derivative with respect to the reaction coordinate of the system then vanishes at the equilibrium point. As such, a reduction in is necessary for a reaction to be spontaneous under these conditions.
The concept of Gibbs free energy, originally called available energy, was developed in the 1870s by the American scientist Josiah Willard Gibbs. In 1873, Gibbs described this "available energy" as[2]: 400
the greatest amount of mechanical work which can be obtained from a given quantity of a certain substance in a given initial state, without increasing its total volume or allowing heat to pass to or from external bodies, except such as at the close of the processes are left in their initial condition.
The initial state of the body, according to Gibbs, is supposed to be such that "the body can be made to pass from it to states of dissipated energy by reversible processes". In his 1876 magnum opus On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, a graphical analysis of multi-phase chemical systems, he engaged his thoughts on chemical-free energy in full.
If the reactants and products are all in their thermodynamic standard states, then the defining equation is written as Δ∘=Δ∘−Δ∘, where is enthalpy, is absolute temperature, and is entropy.
自由エネルギー(じゆうエネルギー、英: free energy)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[1][2]。
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(Helmholtz free energy)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(Gibbs free energy)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。両者の間には G = F + pV の関係にあり、体積変化が系外に為す仕事 pV の分だけ異なる。
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
ヘルムホルツの自由エネルギー(英語: Helmholtz free energy)は、等温条件の下で仕事として取り出し可能なエネルギーを表す示量性状態量である。なお、IUPACでは「自由」を付けずにヘルムホルツエネルギー(英語: Helmholtz energy)とすることが推奨されている[3]。記号 F や A で表されることが多い。
内部エネルギー U、熱力学温度 T、エントロピー S として、ヘルムホルツエネルギーは
=−
で定義される。
完全な熱力学関数
熱力学温度 T、体積 V、物質量 N の関数として表されたヘルムホルツエネルギー F(T,V,N) は完全な熱力学関数となる。 このように見たとき、定義式は完全な熱力学関数としての内部エネルギー U(S,V,N) の S に関するルジャンドル変換
(,,)=((,,),,)−(,,)
と見ることができる。
ヘルムホルツエネルギー F(T,V,N) の各変数による偏微分は
- (∂∂),=−(,,)(∂∂),=−(,,)(∂∂),,=(,,)
で与えられる。 ここで、p は圧力、μi は成分 i の化学ポテンシャルを表す。Nj は成分i以外の成分jの物質量である。 従って、全微分は
=−(,,)−(,,)+∑(,,)
となる。
系のスケール変換を考えると
=−+∑
の関係が得られる。
等温過程
温度 Tex の環境にある系が、ある平衡状態から別の平衡状態へ変化する過程を考える。熱力学第二法則により、系が外部から受け取る熱 Q には上限が存在する。
≤exΔ
この不等式とエネルギー保存則から、系が外部に為す仕事 W にも上限が存在する。
=−Δ≤exΔ−Δ
等温条件下では変化の前後で系の温度は外界の温度と等しく T=Tex なので、ヘルムホルツエネルギーの定義から
Δ=Δ(−ex)=Δ−exΔ
となり、不等式
≤−Δ
が成り立つ。この場合の仕事 W は膨張仕事および非膨張仕事のすべてを含んでいる。
すなわち、温度 Tex の環境にある系が状態 X0 から X1 へと変化する間に外部に為す仕事 W には上限 Wmax が存在する。
(ex;0→1)≤max(ex;0,1)
この Wmax はヘルムホルツエネルギーを用いると
max(ex;0,1)=(ex;0)−(ex;1)
と表され、変化の前後でのヘルムホルツエネルギーの減少量が等温条件において取り出し可能な仕事量である。
等温条件下で外部に一切の仕事を行わない場合、とくに、等温等積で非膨張仕事も行わない場合は
Δ≤−=0
となり、自発変化はヘルムホルツエネルギーが減少する方向へ進む。 また熱力学的平衡条件はヘルムホルツエネルギーが極小値をとることである。
統計力学との関係
統計力学では、カノニカルアンサンブルと関係付けられる。 分配関数 Z(β) を用いて、
()=−1ln()
と表される。 これはミクロとマクロをつなぐボルツマンの関係
=ln
から導かれる。ここでln は自然対数であり、k はボルツマン定数である。
2024年7月13日 | カテゴリー:基礎知識/物理学、統計学、有機化学、数学、英語, 創薬/AUTODOCK |