Химический потенциал

то есть химический потенциал — это парциальная мольная величина внутренней энергии U (при постоянных S,V), или энергии Гиббса G (при постоянных Р, Т), или энергии Гельмгольца F (при постоянных V, T), или энтальпии Н (при постоянных S, P)[1]. Для систем, состоящих из одного компонента, химический потенциал можно задать интегральной формулой

Если в системе имеется несколько разных типов частиц, есть столько же разных химических потенциалов.

Химический потенциал служит естественной независимой переменной для большого термодинамического потенциала.

Важность химического потенциала для термодинамики обусловлена, помимо прочего, тем, что одним из условий термодинамического равновесия в системе является одинаковость химического потенциала любого компонента системы в различных фазах и в разных точках одной фазы[2].

Понятие о химическом потенциале компонента было введено Дж. У. Гиббсом в 1875—1876 годах; сам Гиббс называл его просто потенциалом[3] или внутренним потенциалом[4]. Термин «химический потенциал» впервые использован, вероятно, У. Банкрофтом[5][6][7] в его письме к Гиббсу от 18 марта 1899 года[8]. Скорее всего Банкрофт, размышляя над задуманной им книгой по электрохимии, обнаружил необходимость различать электрический потенциал и переменную, названную Гиббсом «внутренним потенциалом». Термин «химический потенциал» для новой переменной делает это различие очевидным.

Величину изменение энергии системы за счёт вариации масс составляющих систему веществ

не имеющую общепринятого названия, чаще всего называют элементарной химической работой[K 3][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27], а также массовой работой[28], работой переноса массы[12][23], работой перераспределения масс веществ[29], энергией, передаваемой при обмене веществом[30], энергией, передаваемой при переносе массы[31][32]. Химическая работа не является независимо измеряемой величиной — таковой является сумма энтропийной и химической составляющих изменения энергии в рассматриваемом процессе. Но если положить теплоту бесконечно малого процесса равной[33][34][35][36]

Для системы в пространственно неоднородном внешнем поле следует учитывать зависимость химического потенциала компонента от напряжённости поля[2].

Если система находится в электрическом поле, то химический потенциал электрически заряженных частиц называют электрохимическим потенциалом[37][38] (термин предложен в 1929 г. Э. А. Гуггенгеймом[39]). Специальный термин понадобился по причине принятого в литературе условного разбиения электрохимического потенциала на неэлектрическую и электрическую части. С теоретической точки зрения такое разделение носит чисто формальный характер, поскольку носителями заряда служат те же самые формульные единицы, с которыми соотносится обычный химический потенциал, и поэтому нет способа раздельного определения его химической и электрической составляющих. Практически же разделение электрохимического потенциала на две части оказывается хорошим приближением в случае заряженных частиц малой массы (электронов и позитронов), для которых вследствие малости их массы вклад неэлектрической части в электрохимический потенциал пренебрежимо мал по сравнению со вкладом электрической составляющей[40][41].

Если система находится в гравитационном поле, то условием её равновесия служит постоянство суммы химического потенциала компонента в отсутствие поля и его гравитационного потенциала[42][43] (конкретизация этого условия для идеального газа даёт барометрическую формулу[2]), и по аналогии с электрохимическим потенциалом химический потенциал компонента в поле тяготения можно назвать гравихимическим потенциалом; химический потенциал компонента в гравитационном поле при наличии электрического поля есть потенциал электрогравихимический. Деление химического потенциала в силовых полях на чисто химическую и полевые (электрическую, магнитную и гравитационную) части носит формальный характер, поскольку нет способа экспериментального определения химической составляющей отдельно от полевых.

Химический потенциал анизотропного тела есть тензор второго ранга, зависящий от тензора напряжений[44]. Как и тензор напряжений, который в изотропных средах становится шаровым[45][46], в изотропных средах для задания шарового тензора химического потенциала достаточно единственной скалярной величины[47].