状態量

状態量：系の状態を決定づける物理量

熱力学において、系の状態を記述する上で重要な概念が状態量です。状態量とは、系の状態だけで一意的に決定され、その系がどのような経路を経てその状態に達したかには全く依存しない物理量のことです。例えば、圧力、温度、体積、エントロピーなどは状態量に該当します。

これに対し、仕事や熱量は状態量ではありません。なぜなら、同じ始点と終点の状態であっても、その間の経路によって仕事や熱量の大きさが変化するからです。このような、系の状態が経路に依存する物理量を経路関数と呼びます。

状態量と熱力学的平衡状態

状態量は元々は熱力学的平衡状態にある系について定義されました。熱力学的平衡状態とは、巨視的に見て系の状態が時間的に変化しない状態です。しかし、近年の研究では、非平衡状態にも状態量の概念を拡張して用いる試みも進められています。

熱力学的平衡状態にある系では、いくつかの独立な状態量の組によって系の状態を完全に指定することができます。これらの独立な状態量を状態変数と呼びます。状態変数を用いることで、他の状態量は状態変数の関数として表すことができ、これを状態関数または熱力学関数と呼びます。状態関数と状態変数を結びつける関係式を状態方程式と言います。

どの状態量を状態変数として選ぶかは任意です。つまり、どの状態量も状態変数にも状態関数にもなり得るため、状態変数と状態関数は状態量の同義語として用いられることもあります。

状態量の例と独立変数の選択

均一系では、圧力、温度、体積、エントロピーといった状態量のうちの2つを独立変数として選ぶことが多いです。多成分系の場合には、各成分物質の物質量や化学ポテンシャルを、電場下にある系では分極や電場を状態変数として加える必要があります。

完全な熱力学関数

系の熱力学的性質の情報を全て含むように変数を選んで構成された熱力学関数を完全な熱力学関数または熱力学ポテンシャルと呼びます。ギブズエネルギーやヘルムホルツエネルギーなどがその例です。これらの関数は、系の状態を完全に記述し、その系の様々な性質を導き出すことができます。

状態量の自由度

ある熱力学的状態において、状態量の数のうち、相互間の束縛条件の数を差し引いたものを自由度といいます。これは、自由に決められる状態量の数に相当します。例えば、単成分理想気体の場合は、圧力、体積、温度の3つの状態量のうち、2つを自由に決めれば、残りの1つは状態方程式によって一意的に決まります。したがって、単成分理想気体の自由度は2となります。

示量性と示強性

状態量は、系の大きさに依存するか否かで、示量性と示強性に分類できます。系の大きさに比例する状態量を示量性（例：体積、質量、エントロピー）、系の大きさに依存しない状態量を示強性（例：圧力、温度、密度）と呼びます。

まとめ

状態量は、系の状態を記述する上で不可欠な物理量です。状態量を理解することで、熱力学的な系の挙動をより深く理解することができます。状態量の概念は、熱力学だけでなく、統計力学や物理化学など、様々な分野で重要な役割を果たしています。

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