熱力学的平衡

力学平衡:安定な状態とその条件



力学平衡とは、系が的、力学的、化学的に安定した状態にあることを指します。この状態では、系の巨視的性質(温度圧力、組成など)は時間とともに変化せず、物質やエネルギーの正味の流れ、相転移などは起こりません。

例えば、密閉された容器内の水と氷が共存する系は、温度が0℃(標準圧力下)で一定に保たれている限り、力学平衡にあります。氷が解けて水になったり、水が凍って氷になったりという変化は起こりますが、全体としての氷と水の量は変化せず、系の状態は一定に保たれています。

逆に、系に温度差があったり、圧力差があったり、化学反応が起こっていたりする場合、系は力学的に非平衡の状態にあり、時間の経過とともに変化していきます。この変化は、系の平衡状態へと向かう過程となります。

力学平衡の3条件



力学平衡は、以下の3つの条件が同時に満たされた状態として定義されます。

1. 平衡: 異なる温度の物体同士を接触させても、の移動が起こらない状態です。これは、両者の温度が等しいことを意味します。力学第ゼロ法則はこの平衡状態を規定しています。
2. 力学平衡: 系に作用する力が釣り合っていて、運動が起こらない状態です。これは、系の圧力が一様であることを意味します。
3. 化学的平衡: 系内で化学反応や物質移動(拡散、溶解、相転移など)が起こらない状態です。これは、系の化学ポテンシャルが一定であることを意味します。

これらの条件が満たされない場合、系は非平衡状態にあり、平衡状態へと変化しようとします。ただし、平衡状態への到達速度は、系の性質や条件によって大きく異なります。非常にゆっくりと平衡状態に近づいていく場合、その状態を準安定状態と呼びます。

力学ポテンシャルと平衡条件



系の状態変化に伴う[エネルギー]]変化を考慮することで、力学平衡条件をより詳細に記述できます。系の内部エネルギー][エンタルピー]、ヘルムホルツの自由[エネルギー]、ギブズの自由[エネルギー]といった[[熱力学ポテンシャルを用いることで、系の平衡状態を記述できます。

例えば、一定温度、一定体積の系では、ヘルムホルツの自由エネルギーが最小となるときに平衡状態に達します。また、一定温度、一定圧力の系では、ギブズの自由エネルギーが最小となるときに平衡状態に達します。これらの条件は、系の種類や外部条件によって変化します。

局所力学平衡と大域的力学平衡



力学平衡には、局所力学平衡と大域的力学平衡の2つの概念があります。

大域的力学平衡: 系全体で温度圧力、組成などすべての示強性変数が一様になっている状態です。
局所力学平衡: 系全体では一様ではないものの、非常に小さな領域を考えると、その領域内では力学平衡が成立している状態です。例えば、温度勾配がある系でも、十分に小さな領域を考えれば、その領域内では温度が一様とみなせる場合があります。

局所力学平衡は、系のスケールが十分に大きい場合、つまり、多数の粒子が含まれる場合にのみ有効な概念です。 現実の多くの系は、局所力学平衡の状態にあると考えられます。 例えば、氷を入れたコップの水は、局所的に力学平衡が成り立っています。各点で温度が定義でき、氷の近くは低温、遠くは高温となります。しかし、全体としては力学平衡ではありません。

統計力学力学平衡



統計力学では、力学平衡を、系の構成粒子エネルギー分布がマクスウェル・ボルツマン分布に従う状態として定義します。この分布は、温度を一意的に決定するものであり、系が平衡状態にあることを示します。 平衡状態に至る過程を平衡化と呼びます。

まとめ



力学平衡は、力学系の安定状態を表す重要な概念です。的、力学的、化学的平衡という三つの条件が同時に満たされた状態であり、力学ポテンシャルを用いてより厳密に記述できます。また、系全体の平衡と局所的な平衡という異なる概念も存在し、現実の様々な系を理解するために重要です。

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