主な違い - 自由エネルギーとエンタルピー

自由エネルギーとエンタルピーは、熱力学系で起こる熱エネルギーと化学反応の関係を説明するための熱力学用語である。自由エネルギーまたは熱力学的自由エネルギーとは、熱力学的な系が行うことのできる仕事の量のことである。つまり、自由エネルギーとは、熱力学系において熱力学的な仕事を行うために利用できるエネルギー量のことである。一方、エンタルピーは、熱力学系の総エネルギー量を表す熱力学量である。自由エネルギーとエンタルピーの重要な違いは、自由エネルギーが熱力学的な仕事を行うために利用できる全エネルギーを与えるのに対し、エンタルピーは熱力学系が熱エネルギーに変換されるために利用できる全エネルギーを与えることである。

カタログ

1. 概要と主な違い 2. 自由エネルギーとは 3. エンタルピーとは 4. 自由エネルギーとエンタルピーの関係 5. 横並び比較-自由エネルギーとエンタルピーの表形式 6. まとめ

自由エネルギーは何ですか？

自由エネルギーとは、熱力学系が熱力学的な仕事をするために利用できるエネルギーである。フリーエネルギーにはエネルギーの次元がある。熱力学系の自由エネルギーの値は、その系の歴史ではなく、現在の状態によって決まる。熱力学では、ヘルムホルツの自由エネルギーとギブスの自由エネルギーの2種類がよく議論される。

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は、温度と体積が一定の閉じた熱力学系で熱力学的な仕事が行われるときのエネルギーである。したがって、ヘルムホルツエネルギーの負の値は、熱力学系がその体積を一定に保つことで行える最大の仕事を表している。体積を一定に保つために、熱力学的な総仕事の一部が境界の仕事（系の境界を一定に保つこと）として行われるのです。ヘルムホルツのエネルギー方程式を以下に示す。

A=U-TS

ここで、Aはヘルムホルツの自由エネルギー、Uは内部エネルギー、Tは温度（定数）、Sは系のエントロピーである。エントロピーは、系の熱エネルギーを力学的な仕事に変換できないことを示す熱力学的な量である。

図01：ヘルムホルツの自由エネルギー概念を最初に導入したヘルマン・フォン・ヘルムホルツ氏

ギブス自由エネルギー。

ギブス自由エネルギー：温度と圧力が一定で、閉じた熱力学系で行われる熱力学的な仕事のエネルギー。音量が変化する場合があります。自由エネルギーはGで示される。ギブスの自由エネルギー方程式を以下に示す。

G=H-TS

上の式で、Gはギブス自由エネルギー、Hは系のエンタルピー、Yは定数である温度、Sは系のエントロピーを表しています。

エンタルピーは何ですか？

系のエンタルピーは、系の総熱量に等しい熱力学的な量である。システムの内部エネルギーに圧力と体積を足したものに等しい。したがって、システムの熱力学的な特性である。エンタルピーの式は以下のようになります。

H=U+PV

したがって、Hは系のエンタルピー、Uは系の内部エネルギー、Pは圧力、Vは体積である。システムのエンタルピーは、システムが熱を放出する（非機械的な仕事をする）能力を示す指標である。エンタルピーは記号Hで表される。

系のエンタルピーを求めることで、化学反応が発熱性であるか吸熱性であるかを知ることができる。系のエンタルピーの変化は、反応の熱を決定したり、化学反応が自発的か非自発的かを予測するのに利用できる。

自由エネルギーとエンタルピーの関係は何ですか？

ギブス自由エネルギーとエンタルピーは次の式で結ばれています。

G=H-TS

上の式で、Gはギブス自由エネルギー、Hは系のエンタルピー、Yは定数である温度、Sは系のエントロピーであり、gとHは同じ単位で測定される。

自由エネルギーとエンタルピーの違い

概要 - 自由エネルギー vs. エンタルピー

熱力学系の自由エネルギーとエンタルピーは、その系で利用可能なエネルギーを表しています。自由エネルギーとエンタルピーの重要な違いは、自由エネルギーが熱力学的な仕事を行うために利用できる全エネルギーであるのに対し、エンタルピーは系が熱に変換するために利用できる全エネルギーであるということです。

引用

1.ブリタニカ百科事典編。"フリーエネルギー", Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica, January 5, 2012.こちら2.Hermanstine, Anne-Marie, D. "What is enthalpy in chemistry and physics?".?" ThoughtCo, January 25, 2018.こちらから入手可能です 3. "ヘルムホルツの自由エネルギー、ウィキペディア、ウィキメディア財団、2018年2月17日。こちらで入手可能です 4. 「ギブス（自由）エネルギー」。Chemistry LibreTexts、LibreTexts、2018年1月12日。ここで入手可能 2. Hermannstein, Anne-Marie, D. "What is enthalpy in chemistry and physics?" （化学と物理におけるエンタルピーとは何か？?" ThoughtCo, 25 January 2018 3. "Helmholtz Free Energy", Wikipedia, Wikimedia Foundation, 17 February 2018 4. "Gibbs (Free) Energy".", ChemistryLibreTexts, Lyrics, 12 January 2018.