エントロピーとエンタルピーについて

こんにちは、設備の南です。

この記事ではエンタルピーとエントロピーについて解説します。

エンタルピーとは

エンタルピー(enthalpy)Hは、物質の状態量を表す単位の一種で、その物質の内部エネルギーUと外部への仕事量に相当する体積膨張仕事PVとの和で定義されます。

H = mh = U + PV
H：エンタルピー　　[J]
h：比エンタルピー　[J/kg]
m：系の質量　　　 [kg]
Ｕ：内部エネルギー [J]
Ｐ：圧力 [Pa]
Ｖ：容積 [m³]

内部エネルギーとは、系の内部に保有している熱的・力学的エネルギーの総和のことです。

微視的に考えると、原子や分子などの粒子の振動や飛び回る運動エネルギーと粒子間に働く力による位置エネルギーの総和が内部エネルギーとなります。

エントロピー(entropy)Sは、系の乱雑さの大きさ（熱の拡散の程度）を表す尺度で、その変化量ΔＳは下式で定義されます。

ΔS = ΔQ / T
ΔS : エントロピーの変化量　[J/K]
ΔQ：熱量の変化量　　　　　[J]
T：絶対温度　　　　　　　[K]

であり、上式を積分するとエントロピーSとなります。

但し、上記の式が成り立つのは、可逆変化においてのみです。

自然界は不可逆であり、可逆変化はありませんが、系が熱平衡状態で非常にゆっくり且つ静かに状態変化する「準静的過程」は可逆変化として扱うことができます。

不可逆変化の場合のエントロピーの変化量ΔSは、以下の関係が成り立ちます。

ΔS ＞ ΔQ / T

上記の式より、断熱状態（ΔQ=0)で不可逆変化が生じると、エントロピーは０より大きいため必ず増大することとなります。

エンタルピーとエントロピーは、それぞれ以下のとおりです。