集中的かつ広範な特性

物質やシステムの物理的または化学的 性質は、システムのサイズ（または範囲）が変わったときにその性質がどのように変化するかによって、強度量と強度量に分類されることが多い。強度量と強度量という用語は、1898年にドイツの数学者ゲオルク・ヘルムによって物理学に導入され、 1917年にはアメリカの物理学者で化学者のリチャード・C・トルマンによって導入された。 ^{[1] [2]}

国際純正応用化学連合（IUPAC）によれば、強度特性または強度量とは、その大きさがシステムのサイズに依存しないものである。^[3] 強度特性は、必ずしも空間的に均一に分布しているわけではなく、物質や放射線の集合体内で場所によって変化することがある。強度特性の例には、温度（T）、屈折率（n）、密度（ρ）、硬度（η）などがある。

対照的に、示量的性質または示量的量は、その大きさがサブシステムに対して加算されるものである。^[4] 例としては、質量、体積、エントロピーなどが挙げられる。^[5]

物質のすべての特性がこれら 2 つのカテゴリに当てはまるわけではありません。たとえば、体積の平方根は強度特性でも伸長特性でもありません。^[1] 2 つ目の同一システムを並置してシステムのサイズを 2 倍にした場合、強度特性の値は各サブシステムの値に等しく、伸長特性の値は各サブシステムの値の 2 倍になります。ただし、特性 √V は √2 倍になります。

強度特性とは、測定された物質の量に依存しない物理量のことです。最も明らかな強度量は、強度量の比です。均質系を 2 つに分割すると、そのすべての強度特性、特に体積と質量が 2 つの半分に分割されます。質量/体積 (質量密度) や質量/体積 (比容積) などの強度特性はすべて、各半分で同じである必要があります。

熱平衡にあるシステムの温度は、そのシステムのどの部分の温度も同じであるため、温度は強度量です。システムが熱または物質を透過する壁で分割されている場合、各サブシステムの温度は同じです。さらに、物質の沸点は強度特性です。たとえば、水の沸点は、液体として残っている水の量に関係なく、 1気圧で 100 °C です。

サンプルの任意の広がり量 E は、サンプルの体積で割ると、サンプルの「E 密度」になります。同様に、任意の広がり量「E」は、サンプルの質量で割ると、サンプルの「比 E」になります。サンプル内のモル数で割った広がり量「E」は、「モル E」と呼ばれます。

強示的特性と示示的特性の区別には、理論的な用途がいくつかあります。たとえば、熱力学では、単純な圧縮性システムの状態は、質量などの 1 つの示示的特性とともに、2 つの独立した強示的特性によって完全に指定されます。その他の強示的特性は、これら 2 つの強示的変数から導出されます。

強度特性の例としては以下が挙げられる: ^{[5] [2] [1]}

材料に特有のより包括的なリストについては、「 材料特性のリスト」を参照してください。

示量的特性とは、その値がそれが記述するシステムの大きさに比例する物理量である^[8]、またはシステム内の物質の量に比例する物理量である。例えば、サンプルの質量は示量的量であり、物質の量に依存する。関連する示量的量は、量とは無関係な密度である。水の密度は、水滴でもプールでも約1g/mLであるが、質量は2つのケースで異なる。

ある伸長特性を別の伸長特性で割ると、通常は伸長値が得られます。たとえば、質量(伸長) を体積(伸長)で割ると、密度(伸長) が得られます。

拡張特性の例としては以下が挙げられる: ^{[5] [2] [1]}

熱力学では、いくつかの広がり量は、熱力学的移動プロセスで保存される量を測定します。これらは、2 つの熱力学システムまたはサブシステム間の壁を越えて移動します。たとえば、物質の種類は半透膜を介して移動します。同様に、体積は、2 つのシステム間の壁の動きがあり、一方の体積が増加し、もう一方の体積が同量減少するプロセスで移動すると考えられます。

一方、いくつかの示量量は、システムとその周囲との間の熱力学的移動プロセスで保存されない量を測定します。ある量のエネルギーが周囲から熱としてシステム内またはシステム外に移動される熱力学的プロセスでは、システム内の対応する量のエントロピーがそれぞれ増加または減少しますが、一般に、周囲と同じ量ではありません。同様に、システム内の電気分極量の変化は、周囲の電気分極の対応する変化と必ずしも一致しません。

熱力学システムでは、広がり量の移動は、それぞれの特定の強度量の変化と関連しています。たとえば、体積の移動は圧力の変化と関連しています。エントロピーの変化は温度の変化と関連しています。電気分極の量の変化は電場の変化と関連しています。移動した広がり量とそれに関連するそれぞれの強度量は、エネルギーの次元を与えるために掛け算される次元を持っています。このようなそれぞれの特定のペアの 2 つのメンバーは、相互に共役です。共役ペアのいずれか一方 (両方ではありません) は、熱力学システムの独立した状態変数として設定できます。共役設定は、ルジャンドル変換によって関連付けられます。

同じ物体またはシステムの2つの外延的性質の比は、強意的性質である。例えば、物体の質量と体積という2つの外延的性質の比は、強意的性質である密度である。^[9]

より一般的には、特性を組み合わせて新しい特性を与えることができます。これは導出特性または複合特性と呼ばれることがあります。たとえば、基本量^{[10] の}質量と体積を組み合わせると、導出量^[11]の密度が得られます。これらの複合特性は、示強特性または示強特性に分類されることもあります。複合特性が示強特性のセットと示強特性のセットの関数であると仮定します。これは と表すことができます。システムのサイズが何らかのスケーリング係数 によって変更された場合、示強特性はシステムのサイズとは無関係であるため、示強特性のみが変更されます。したがって、スケールされたシステムは と表すことができます。 ${\displaystyle F}$${\displaystyle \{a_{i}\}}$${\displaystyle \{A_{j}\}}$${\displaystyle F(\{a_{i}\},\{A_{j}\})}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle F(\{a_{i}\},\{\lambda A_{j}\})}$

強度特性はシステムの大きさに依存しないので、スケーリング係数のすべての値に対して、特性Fは強度特性である。 ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle F(\{a_{i}\},\{\lambda A_{j}\})=F(\{a_{i}\},\{A_{j}\}).\,}$

(これは、強勢合成特性がに関して次数 0 の同次関数であると言うことと同等です。) ${\displaystyle \{A_{j}\}}$

たとえば、 2 つの示量特性の比は示量特性になります。説明のために、ある質量と体積 を持つシステムを考えてみましょう。密度 は、質量 (示量) を体積 (示量) で割った値に等しくなります。 つまり、このシステムを係数 でスケーリングすると、質量と体積はと になり、密度は になります。2 つの は打ち消されるため、これは数学的には と表すことができます 。これは、上記の の式に類似しています。 ${\displaystyle m}$${\displaystyle V}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle \rho ={\frac {m}{V}}}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle \lambda m}$${\displaystyle \lambda V}$${\displaystyle \rho ={\frac {\lambda m}{\lambda V}}}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle \rho (\lambda m,\lambda V)=\rho (m,V)}$${\displaystyle F}$

このプロパティは、すべての人にとって広範なプロパティです。 ${\displaystyle F}$${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle F(\{a_{i}\},\{\lambda A_{j}\})=\lambda F(\{a_{i}\},\{A_{j}\}).\,}$

（これは、拡がりのある合成特性がに関して次数1の同次関数であると言うことと同等である。）オイラーの同次関数定理から、 ${\displaystyle \{A_{j}\}}$

${\displaystyle F(\{a_{i}\},\{A_{j}\})=\sum _{j}A_{j}\left({\frac {\partial F}{\partial A_{j}}}\right),}$

ここで偏微分はを除くすべてのパラメータを一定として取られる。^[12]この最後の式は熱力学関係を導くために使用できる。 ${\displaystyle A_{j}}$

比熱特性は、システムの示量特性をその質量で割ることによって得られる示量特性である。例えば、熱容量はシステムの示量特性である。熱容量 をシステムの質量で割ると、示量特性である比熱容量 が得られる。示量特性が大文字で表される場合、対応する示量特性の記号は通常小文字で表される。一般的な例を下の表に示す。^[5]${\displaystyle C_{p}}$${\displaystyle c_{p}}$

物質のモル量が決定できれば、これらの熱力学的特性はそれぞれモル単位で表現でき、その名前に形容詞モルをつけて修飾することができ、モル体積、モル内部エネルギー、モルエンタルピー、モルエントロピーなどの用語が得られます。モル量の記号は、対応する広がりのある特性に下付き文字「m」を追加することで示されます。たとえば、モルエンタルピーは です。^[5] モルギブズ自由エネルギーは、通常、化学ポテンシャルと呼ばれ、 で表されます。特に混合物の 成分の部分モルギブズ自由エネルギーについて議論する場合はそうです。${\displaystyle H_{\mathrm {m} }}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \mu _{i}}$${\displaystyle i}$

物質や反応の特性評価では、通常、標準状態を基準としたモル特性が表に示されます。その場合、記号に上付き文字が追加されます。例: ${\displaystyle ^{\circ }}$

• ${\displaystyle V_{\mathrm {m} }^{\circ }}$= 22.79 L /mol は、標準温度および標準圧力条件（0 barおよび22.79 K ）における理想気体のモル体積です。
• ${\displaystyle C_{P,\mathrm {m} }^{\circ }}$一定圧力における物質の標準モル熱容量です。
• ${\displaystyle \mathrm {\Delta } _{\mathrm {r} }H_{\mathrm {m} }^{\circ }}$反応の標準エンタルピー変化です（サブケース：生成エンタルピー、燃焼エンタルピーなど）。
• ${\displaystyle E^{\circ }}$は酸化還元対の標準還元電位、すなわちギブスエネルギー/電荷であり、ボルト= J/C で測定されます。

物理的性質を外延的と強勢的に分類することの一般的な妥当性は、科学の過程で議論されてきた。^[13] レドリッヒは、物理的性質、特に熱力学的性質は強勢的または強勢的のいずれかとして定義するのが最も便利であるが、これら2つのカテゴリはすべてを網羅するものではなく、体積の平方根のような明確に定義された概念はどちらの定義にも当てはまらないと指摘した。^[1]

標準的な定義では単純な答えが得られない他のシステムは、サブシステムが組み合わさると相互作用するシステムである。Redlichは、一部の特性が強勢的か伸張的かの割り当ては、サブシステムの配置方法に依存する可能性があると指摘した。たとえば、2つの同一のガルバニ電池が並列に接続されている場合、システムの電圧は各電池の電圧に等しくなりますが、転送される電荷​​（または電流）は伸張的です。ただし、同じ電池が直列に接続されている場合は、電荷は強勢的になり、電圧は伸張的になります。^[1] IUPACの定義では、このようなケースは考慮されていません。^[5]

いくつかの強度特性は、非常に小さいサイズには適用されません。たとえば、粘性はマクロな 量であり、非常に小さいシステムには関係ありません。同様に、非常に小さいスケールでは、色はサイズとは無関係ではありません。これは、色が「ドット」のサイズに依存する量子ドット によって示されます。

Suresh. 「熱力学における強度特性と強度特性の違いは何ですか?」Callinterview.com 。 2024年4月7日閲覧。