体積（熱力学）

熱力学において、系の体積は、その熱力学的状態を記述するための重要な示量性パラメータです。比体積は示強性パラメータであり、単位質量あたりの系の体積です。体積は状態の関数であり、圧力や温度などの他の熱力学的性質と相互に依存しています。例えば、理想気体の体積は、理想気体の法則によって圧力と温度に関係しています。系が占める物理的領域は、系の解析に使用される制御体積と一致する場合もあれば、一致しない場合もあります。

熱力学系の体積とは、通常、作動流体の体積、例えばピストン内の流体の体積を指します。この体積の変化は、仕事の投入によって生じる場合もあれば、仕事を生み出すために利用される場合もあります。しかし、等積過程は一定体積で進行するため、仕事は生み出されません。他の多くの熱力学的過程では、体積の変化が生じます。特に、ポリトロピック過程は、系に変化をもたらし、その結果、体積が変化${\displaystyle pV^{n}}$は定数です（${\displaystyle p}$圧力です、${\displaystyle V}$はボリュームであり、${\displaystyle n}$はポリトロピック指数（定数）です。特定のポリトロピック指数の場合、ポリトロピック過程は定数特性過程と等価になることに注意してください。たとえば、 の値が非常に大きい場合、${\displaystyle n}$無限大に近づくと、その過程は定容過程となる。

気体は圧縮性を持つため、熱力学的過程において体積（および比体積）が変化する可能性があります。一方、液体はほぼ非圧縮性であるため、体積は一定とみなせる場合が多いです。一般に、圧縮性とは、圧力に対する流体または固体の相対的な体積変化として定義され、あらゆる相の物質について測定できます。同様に、熱膨張とは、温度変化に応じて物質の体積が変化する傾向のことです。

多くの熱力学サイクルは、さまざまなプロセスで構成されており、一定体積を維持するものもあれば、そうでないものもあります。例えば、蒸気圧縮冷凍サイクルでは、冷媒が液体と気体の状態を交互に繰り返す一連のプロセスが行われます。

体積の一般的な単位は${\displaystyle \mathrm {m^{3}} }$（立方メートル）${\displaystyle \mathrm {l} }$（リットル）${\displaystyle \mathrm {ft} ^{3}}$（立方フィート）

作動流体に対して行われる機械的な仕事は、システムの力学的制約を変化させます。言い換えれば、仕事が発生するためには、体積が変化しなければなりません。したがって、体積は、仕事という形でエネルギーの交換が伴う多くの熱力学的プロセスを特徴づける上で重要なパラメータとなります。

体積は圧力と共役変数のペアの1つです。すべての共役ペアと同様に、その積はエネルギーの一形態です。${\displaystyle pV}$は、機械的な仕事によってシステムが失うエネルギーです。この積はエンタルピーを構成する項の1つです。${\displaystyle H}$:

${\displaystyle H=U+pV,\,}$

どこ${\displaystyle U}$これはシステムの内部エネルギーです。

熱力学第二法則は、熱力学系から取り出すことができる有効な仕事の量に関する制約を記述する。温度と体積が一定に保たれている熱力学系では、得られる「有効な」仕事の尺度はヘルムホルツ自由エネルギーであり、体積が一定に保たれていない系では、得られる有効な仕事の尺度はギブズ自由エネルギーである。

同様に、特定のプロセスで使用する適切な熱容量の値は、そのプロセスで体積変化が生じるかどうかによって異なります。熱容量は、システムに加えられる熱量の関数です。定容プロセスの場合、すべての熱はシステムの内部エネルギーに影響を与えます（つまり、pV仕事はなく、すべての熱は温度に影響を与えます）。しかし、定容でないプロセスでは、熱の添加は内部エネルギーと仕事（つまり、エンタルピー）の両方に影響を与えます。したがって、温度変化は定容の場合とは異なり、異なる熱容量の値が必要になります。

比容積（${\displaystyle \nu }$比体積は、物質の単位質量が占める体積です。^{[ 1 ]}多くの場合、比体積は、示強性として、別の独立した示強変数と組み合わせてシステムの完全な状態を決定するために使用できるため、決定するのに有用な量です。比体積を使用すると、分析のいくつかの段階では不明（または重要ではない）かもしれない正確な操作体積を参照せずにシステムを研究することもできます。

物質の比体積は、その物質の質量密度の逆数に等しい。比体積は次のように表すことができる。${\displaystyle {\frac {\mathrm {m^{3}} }{\mathrm {kg} }}}$、${\displaystyle {\frac {\mathrm {ft^{3}} }{\mathrm {lb} }}}$、${\displaystyle {\frac {\mathrm {ft^{3}} }{\mathrm {ナメクジ} }}}$、 または${\displaystyle {\frac {\mathrm {mL} }{\mathrm {g} }}}$。

${\displaystyle \nu ={\frac {V}{m}}={\frac {1}{\rho }}}$

どこ、${\displaystyle V}$ボリュームは、${\displaystyle m}$質量と${\displaystyle \rho }$これは物質の密度です。

理想気体の場合、

${\displaystyle \nu ={\frac {{\bar {R}}T}{P}}}$

どこ、${\displaystyle {\bar {R}}}$は比気体定数です。${\displaystyle T}$温度と${\displaystyle P}$これはガスの圧力です。

比体積はモル体積を指す場合もある。

• 体積流量