自由エネルギー
定圧定温条件での化学反応における標準反応ギブズエネルギーは標準反応エンタルピーおよび標準反応エントロピーと以下の関係がある。
Δ G ∘ = Δ H ∘ − T Δ S ∘ {\displaystyle \Delta G^{\circ }=\Delta H^{\circ }-T\Delta S^{\circ }}
標準反応ギブズエネルギーと平衡定数Kとの間には以下のような関係がある。ここで R は気体定数である。
Δ G ∘ = − R T ln  K ⟺ K = exp  ( − Δ G ∘ R T ) {\displaystyle \Delta G^{\circ }=-RT\ln K\iff K=\exp \left(-{\frac {\Delta G^{\circ }}{RT}}\right)}
標準環境温度(25 °C = 298.15 K)においては以下のようになる。
Δ G ∘ / k J m o l − 1 = − 5.708 log 10  K {\displaystyle \Delta G^{\circ }/\mathrm {kJ~mol^{-1}} =-5.708\log _{10}K}
また標準電極電位との関係は以下の通りである。ここで n は電池反応の半反応式における電子の化学量論係数、 F はファラデー定数である。
E ∘ = − Δ G ∘ n F {\displaystyle E^{\circ }=-{\frac {\Delta G^{\circ }}{nF}}}
電池ではギブズエネルギー変化が負の値を取る向きに起電力が発生する。
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
d F = − S ( T , V , N ) d T − p ( T , V , N ) d V + ∑ i μ i ( T , V , N ) d N i {\displaystyle dF=-S(T,V,N)\,dT-p(T,V,N)\,dV+\sum _{i}\mu _{i}(T,V,N)\,dN_{i}}
となる。
系のスケール変換を考えると
F = − p V + ∑ i N i μ i {\displaystyle F=-pV+\sum _{i}N_{i}\mu _{i}}
の関係が得られる。