化学ポテンシャル
示強性である化学ポテンシャルと示量性である物質量は互いに共役な関係であり、掛け合わせるとエネルギーの次元となる。
化学ポテンシャルの物理的な意味は、同じ示強性である圧力との対応を考えるとわかりやすい。たとえば圧力(示強性)は、熱力学的な系の体積(示量性)を少し変えたときに外界が感じる『手ごたえ』である。この関係性を化学ポテンシャルに当てはめてみると、化学ポテンシャル(示強性)とは、熱力学的な系の物質量(示量性)を少し変えたときの『手ごたえ』と考えることができる。よって平衡状態に向かうときは、化学ポテンシャルが等しくなるように物質量は移動する。
また電磁気学において電荷qとその移動を司る静電ポテンシャルφとの積がポテンシャルエネルギーqφである。この関係性を化学ポテンシャルに当てはめてみると、マクロな物質量Nの移動を司るポテンシャルが化学ポテンシャルμであり、それらの積であるギブズエネルギーNμはポテンシャルエネルギーのような量だと考えることもできる。ただし実際にはミクロな粒子間にある複雑な相互作用などの結果としてマクロな化学ポテンシャルは決まると考えられ、力学におけるポテンシャルと熱力学における化学ポテンシャルはかなり異なり同一視することはできない。
化学ポテンシャルを「単位物質量あたりのエネルギー」と呼ばれる場合があるが、化学ポテンシャルは示強性であるためエネルギーのような相加性は成り立たない。「エネルギー=物質量×化学ポテンシャル」という単純な形になるエネルギーは1成分系のギブズの自由エネルギーに限られる。
モル数でなく、粒子数としての化学ポテンシャルμも考えることができる。固体電子論における電子系(例:電子ガス)でも化学ポテンシャルを定義することができ、特に温度T = 0 Kにおける化学ポテンシャル μ のことを、フェルミエネルギーεFと呼ぶ場合がある。
μ T = 0 = ε F {\displaystyle \mu _{T=0}=\epsilon _{F}}
化学反応の反応進行度 ξ が変化したときに、物質量の変化は
δ N i = ν i δ ξ {\displaystyle \delta N_{i}=\nu _{i}\delta \xi }
となる。等温等圧条件下での反応の場合にはギブズエネルギーが減少する方向に変化は進行し、ギブズエネルギーが極小となるときに平衡状態となる。従って、
d d ξ G ( T , p , N + ν ξ ) = ∑ i ν i μ i ( T , p , N + ν ξ ) = 0 {\displaystyle {\frac {d}{d\xi }}G(T,p,{\boldsymbol {N}}+{\boldsymbol {\nu }}\xi )=\sum _{i}\nu _{i}\,\mu _{i}(T,p,{\boldsymbol {N}}+{\boldsymbol {\nu }}\xi )=0}
となるときに化学平衡となる。