熱力学的平衡:安定な状態とその条件
熱力学的
平衡とは、系が
熱的、
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、
熱力学的
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
熱力学的に非
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。
熱力学的
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.
熱的平衡: 異なる
温度の物体同士を接触させても、
熱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。
熱力学第ゼロ法則はこの
平衡状態を規定しています。
2.
力学的平衡: 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。
系の状態変化に伴う
[エネルギー]]変化を考慮することで、熱力学的
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。
熱力学的
平衡には、局所
熱力学平衡と大域的
熱力学平衡の2つの概念があります。
大域的熱力学平衡: 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。
局所熱力学平衡: 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
熱力学的
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
熱力学平衡は、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
熱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
熱力学的
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
熱力学的
平衡ではありません。
統計
力学では、
熱力学的
平衡を、系の構成
粒子の
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
熱平衡化と呼びます。
まとめ
熱力学的
平衡は、
熱力学系の安定状態を表す重要な概念です。
熱的、
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、
熱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。