ギブスの自由エネルギー～電気の基礎と電磁気学～

自由エネルギーとは

まず基本となる熱力学の3つの法則を知る必要がある。

ここで内部エネルギーUは系のエネルギー総量のことで、分子運動や配置から生じるエネルギーを含む。

第一法則（エネルギー保存の法則）・・・\(ΔU=Q+W\)。
内部エネルギーの変化ΔU は、系が周囲と交換する熱（熱が系に入る場合は正、系から出る場合は負）と系が周囲に対して行う仕事（仕事が系に対して行われる場合は正、系が周囲に対して行う場合は負）によって与えられるというもの。エネルギーは形態を変えるだけで生成や消失はしない。
第二法則（エントロピー増加則）・・・孤立系のエントロピーは増大するか、または一定である。孤立系での自発的な変化はエントロピーが増大する方向に向かう。
第三法則・・・絶対零度で完全な結晶状態にあるすべての元素のエントロピーはゼロである。

自由エネルギーにはヘルムホルツの自由エネルギーAとギブスの自由エネルギーGがある。

共に仕事（J：ジュール）を表し、自由エネルギーの変化は自発的変化の方向性を示す。

エントロピーによりわかる自発的変化の方向性は、この自由エネルギーの変化の中の一つの過程（孤立系）に過ぎない。

ヘルムホルツの自由エネルギーAは、等温条件下での仕事を表し、ΔAは自発的な反応や変化の方向性を理解するのに役立つ。

\(A=U-TS\)

ここで、Uは内部エネルギー、Tは絶対温度（ケルビン）、Sはエントロピー

ギブスの自由エネルギーGは、等温・等圧条件下での仕事を表し、ΔGは生化学や化学反応の進行方向や平衡の判定にしばしば利用される。

\(G=H-TS\)

ここで、Hはエンタルピー、Tは絶対温度、Sはエントロピー

また、ΔGにはその条件によっていくつか別の見方がある。

酵素は反応のΔGを変更しない。ΔGは反応の初期状態と最終状態の間のエネルギー差を示し、これは酵素の有無に関係なく一定。

酵素の主な役割は、反応の活性化エネルギーEa（エネルギー障壁）を低下させること。

活性化エネルギーは、反応が進行するために必要な最小のエネルギーのことで、反応の初期状態と遷移状態（エネルギーバリアの頂点）との間のエネルギー差を示す。酵素が活性化エネルギーを低下させることで、反応速度が大幅に増加する。

酵素は反応が「どれだけ速く」進行するかを変更するが、反応が「どれだけのエネルギーを放出または吸収するか」（ΔG）を変更するわけではない。

すなわち、反応が自発的に進むかどうかはΔGに依存し、反応の速度はEaに依存するということ。ΔGが負なら自発的に反応は進むがEaが高いと反応速度が低い。

活性化エネルギーEaは、反応速度定数kと絶対温度T、およびアラヘニウスの方程式を使用して求めることができるが、難しいので追求しない。

最後に例として、ATPの加水分解（ATPがADPとリン酸イオンに変換する反応）反応でのエネルギー変化は大体以下のようになっている。もちろん等圧・等温環境下です。

なので、この反応は自発的に進みます。