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。 イギリスの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

(∂T∂V)S=−(∂P∂S)V
(∂T∂P)S=(∂V∂S)P
(∂S∂V)T=(∂P∂T)V
(∂S∂P)T=−(∂V∂T)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=TdS−PdV=(∂U∂S)VdS+(∂U∂V)SdV
dH=TdS+VdP=(∂H∂S)PdS+(∂H∂P)SdP
dF=−SdT−PdV=(∂F∂T)VdT+(∂F∂V)TdV
dG=−SdT+VdP=(∂G∂T)PdT+(∂G∂P)TdP

なので

T=(∂U∂S)V,−P=(∂U∂V)S
T=(∂H∂S)P,V=(∂H∂P)S
−S=(∂F∂T)V,−P=(∂F∂V)T
−S=(∂G∂T)P,V=(∂G∂P)T

これを

∂∂V(∂U∂S)=∂∂S(∂U∂V)
∂∂P(∂H∂S)=∂∂S(∂H∂P)
∂∂V(∂F∂T)=∂∂T(∂F∂V)
∂∂P(∂G∂T)=∂∂T(∂G∂P)

に代入して

(∂T∂V)S=−(∂P∂S)V
(∂T∂P)S=(∂V∂S)P
(∂S∂V)T=(∂P∂T)V
(∂S∂P)T=−(∂V∂T)P

となる。

関連項目[編集]