ギブスの自由エネルギー（一般的に知られているようにG）は、エンタルピーHの差として定義される熱力学ポテンシャル、マイナス温度T、系のエントロピーSの積です。
ギブスの自由エネルギーは、ジュール（国際システムによる）、エルグ（単位のCegesimalシステム）、カロリー、または電子ボルト（電気ボルト）で測定されます。
図1.ギブスエネルギーの定義と他の熱力学的ポテンシャルとの関係を示す図。出典：nuclear-power.net。
一定の圧力と温度で発生するプロセスでは、ギブスの自由エネルギーの変化はΔG=ΔH-TΔSです。そのようなプロセスでは、（G）は、仕事に変換できるシステムで利用可能なエネルギーを表します。
たとえば、発熱化学反応では、エンタルピーは減少し、エントロピーは増加します。ギブス関数では、これら2つの要因が打ち消されますが、ギブスエネルギーが減少した場合にのみ、反応が自然に発生します。
したがって、Gの変動が負の場合、プロセスは自発的です。ギブス関数が最小値に達すると、システムは安定した平衡状態になります。要約すると、圧力と温度が一定のままであるプロセスでは、次のことを確認できます。
-プロセスが自発的である場合、ΔG<0
-システムが平衡状態にある場合：ΔG= 0
-非自発的プロセスでは、Gが増加します：ΔG> 0。
どのように計算されますか？
ギブスの自由エネルギー（G）は、冒頭に示した定義を使用して計算されます。
次に、エンタルピーHは、次のように定義される熱力学的ポテンシャルです。
-ステップバイステップ
次に、ギブスエネルギーが関数である独立変数を知るために、段階的な分析が行われます。
1-熱力学の第1法則から、内部エネルギーUは、システムのエントロピーSおよび微分関係を介した可逆プロセスのその体積Vに関連していることがわかります。
この方程式から、内部エネルギーUは変数SおよびVの関数であることがわかります。
2- Hの定義から始めて、微分を取ると、次のようになります。
3-（1）で得られたdUの式を代入すると、次のようになります。
これから、エンタルピーHはエントロピーSと圧力Pに依存すると結論されます。
4-これで、ギブスの自由エネルギーの総微分が計算され、次のようになります。
ここで、dHは（3）にある式に置き換えられています。
5-最後に、単純化すると、dG = VdP-SdTが得られ、自由エネルギーGが次のように圧力と温度Tに依存することが明らかになります。
-マクスウェルの熱力学的関係
前のセクションの分析から、システムの内部エネルギーはエントロピーとボリュームの関数であると推定できます。
次に、Uの微分は次のようになります。
この偏微分式から、いわゆるマクスウェルの熱力学的関係を導き出すことができます。偏微分は、関数が複数の変数に依存し、次のセクションの定理を使用して簡単に計算される場合に適用されます。
マクスウェルの最初の関係
∂ V T- S =-∂ S P- V
この関係に到達するために、偏微分に関するClairaut-Schwarzの定理が使用されました。
マクスウェルの2番目の関係
前のセクションのポイント3に示されている内容に基づいて、
それは得ることができます：
同様の方法で、ギブスの自由エネルギーG = G（P、T）とヘルムホルツの自由エネルギーF = F（T、V）を使用して、他の2つのマクスウェル熱力学関係を取得します。
図2.ジョサイア・ギブス（1839-1903）は、熱力学に多大な貢献をしたアメリカの物理学者、化学者、数学者でした。出典：ウィキメディア・コモンズ。
マクスウェルの4つの熱力学的関係
演習1
システムを初期容量20リットルから最終容量40リットルにする等温膨張中に、温度300Kで2モルの理想ガスのギブス自由エネルギーの変動を計算します。
解決
ギブスの自由エネルギーの定義を思い出してください。
次に、Fの有限変動は次のようになります。
この演習のケースに適用されたものはそのままです。
次に、ヘルムホルツエネルギーの変化を取得できます。
演習2
ギブスの自由エネルギーが温度と圧力の関数であることを考慮に入れるG = G（T、P）; 単原子の理想気体nモルに対して温度が変化しない（等温）プロセス中のGの変化を求めます。
解決
上で示したように、ギブスエネルギーの変化は温度Tと体積Vの変化にのみ依存するため、その微小変動は次のように計算されます。
しかし、温度が一定のプロセスである場合、dF = + VdPなので、有限の圧力変動ΔPは、次の式で与えられるギブスエネルギーの変化をもたらします。
理想的なガス方程式を使用：
等温プロセス中に次のことが発生します。
あれは：
したがって、前の結果は、体積の変化ΔVの関数として書くことができます。
演習3
次の化学反応を考慮してください：
N 2 0（g）+（3/2）O 2（g）↔️2NO 2（g）温度T = 298 K
ギブスの自由エネルギーの変化を見つけ、得られた結果を使用して、それが自然発生的なプロセスであるかどうかを示します。
解決
手順は次のとおりです。
-最初のステップ：反応エンタルピー
-2番目のステップ：反応エントロピー変動
-3番目のステップ：ギブス関数のバリエーション
この値は、減少するエネルギーと増加するエントロピーのバランスを決定し、反応が最終的に自発的であるかどうかを確認します。
これはギブスエネルギーの負の変化であるため、298 K = 25ºCの温度での自然反応であると結論付けることができます。
参考文献
- 栗E.自由エネルギー運動。から回復：lidiaconlaquimica.wordpress.com。
- Cengel、Y。2012。熱力学。第7版。マグローヒル。
- Libretexts。ギブス自由エネルギー。回収元：chem.libretexts.org
- Libretexts。フリーエネルギーとは 回収元：chem.libretexts.org
- ウィキペディア。ギブスの自由エネルギー。から回復：es.wikipedia.com
- ウィキペディア。ギブスの自由エネルギー。から回復：en.wikipedia.com