化学ポテンシャルと相平衡

化学ポテンシャルは、粒子を追加する際のエネルギー変化を測定するものであり、相間の化学ポテンシャルの等価性は、相平衡および化学平衡の条件を決定します。

Definition

化学ポテンシャルとは、固定された共役変数において、ある種の粒子が1つ追加されたときの熱力学的ポテンシャルの変化であり、相平衡とは、温度、圧力、および各成分の化学ポテンシャルが、共存するすべての相で等しい状態を指します。

Scope

このトピックでは、適切なポテンシャルを粒子数に関して微分したものとしての化学ポテンシャルの定義、共存する相間の機械的、熱的、化学的平衡の条件、ギブズの相律、共存曲線のクラウジウス-クラペイロンの式、および化学反応の平衡について扱います。転移の秩序変数記述は、相転移の項で扱われます。

Core questions

• 化学ポテンシャルはどのように定義され、粒子あたりのギブズ自由エネルギーとどのように関連していますか？
• 平衡状態において、なぜ化学ポテンシャルは相間で等しくなければならないのですか？
• ギブズの相律は、多相系の自由度をどのように数えますか？
• クラウジウス-クラペイロンの式は、共存曲線の傾きをどのように決定しますか？

Key concepts

• 化学ポテンシャルと粒子数
• 相共存の条件
• ギブズの相律
• クラウジウス-クラペイロンの式
• 化学反応平衡

Key theories

ギブズの相平衡条件

2つの相は、それらの温度、圧力、および各成分の化学ポテンシャルが等しいときに平衡状態で共存し、不均一系の全ギブズ自由エネルギーを最小化します。

Clinical relevance

化学ポテンシャルは、化学、生物学、材料科学における拡散、浸透、溶解度、および反応平衡を支配し、相平衡条件は、冶金学、地質学、および化学工学で用いられる相図の構築の基礎となります。

History

ギブズは、1870年代の不均一平衡に関する論文で化学ポテンシャルと相律を導入し、クラウジウス-クラペイロンの関係などの以前の結果を、共存する相と反応の一般理論に統合しました。

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Rudolf Clausius
• Benoit Clapeyron

Seminal works

• gibbs1876
• callen1985

Frequently asked questions

相間で化学ポテンシャルが等しいとはどういう意味ですか？

これは、ある相から別の相へ粒子を移動させる正味の駆動力がないことを意味します。もしポテンシャルが異なれば、粒子はより低い化学ポテンシャルの相へ流れ込み、等価性、ひいては平衡が回復するまで移動するでしょう。