マクスウェルの関係式

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マクスウェルの関係式とは、4つの状態変数(温度,圧力,エントロピー,体積)に成り立つ関係式。 イギリス物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルの名にちなむ。

概要[編集]

温度T,圧力P,エントロピーS,体積Vに対して

(TV)S=(PS)V
(TP)S=(VS)P
(SV)T=(PT)V
(SP)T=(VT)P

が成り立つ。 ヤコビアンを使うと1つの式にまとめられて

(T,S)(P,V)=1

である。

導出[編集]

各式は4つの状態量(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)の偏微分を計算することで求められる。 内部エネルギーU,エンタルピーH,ヘルムホルツの自由エネルギーF,ギブズの自由エネルギーGに対して

dU=TdSPdV=(US)VdS+(UV)SdV
dH=TdS+VdP=(HS)PdS+(HP)SdP
dF=SdTPdV=(FT)VdT+(FV)TdV
dG=SdT+VdP=(GT)PdT+(GP)TdP

なので

T=(US)V,P=(UV)S
T=(HS)P,V=(HP)S
S=(FT)V,P=(FV)T
S=(GT)P,V=(GP)T

これを

V(US)=S(UV)
P(HS)=S(HP)
V(FT)=T(FV)
P(GT)=T(GP)

に代入して

(TV)S=(PS)V
(TP)S=(VS)P
(SV)T=(PT)V
(SP)T=(VT)P

となる。

関連項目[編集]