準静的プロセス

熱力学において、準静的過程（準平衡過程とも呼ばれる。ラテン語のquasi は「あたかも」を意味する^{[ 1 ]}に由来）とは、系が内部的に物理的（ただし必ずしも化学的ではない）熱力学的平衡状態を維持できるほどゆっくりと進行する熱力学的過程のことである。その一例として、水素と酸素の混合ガスの準静的膨張が挙げられる。この膨張では、系の体積が非常にゆっくりと変化するため、過程中のどの瞬間においても系全体で圧力が均一に保たれる^{[ 2 ]} 。このような理想化された過程は、無限の緩慢さを特徴とする一連の物理的平衡状態である^{[ 3 ]。}

準静的熱力学的過程においてのみ、過程全体を通して任意の時点における系の示強量（圧力、温度、比体積、​​比エントロピーなど）を正確に定義することができます。そうでなければ、内部平衡が確立されないため、系の異なる部分でこれらの量の値が異なることになり、各量に対して単一の値だけでは系全体を表すには不十分となる可能性があります。言い換えれば、状態関数の変化を表す式にPまたはTが含まれている場合、それは準静的過程であることを意味します。

すべての可逆過程は準静的ですが、ほとんどの著者は、システムと周囲との平衡を維持し、散逸を回避するために一般的な準静的過程を要求していません^{[ 4 ]}。これらは可逆過程の定義特性です。たとえば、摩擦を受けるピストンによるシステムの準静的圧縮は不可逆です。システムは常に内部熱平衡状態にありますが、摩擦によって散逸エントロピーが生成され、これは可逆性の定義に反します。エンジニアであれば、散逸エントロピーの生成を計算する際に摩擦を含めることを忘れないでしょう。

可逆過程として理想化できない準静的過程の一例として、温度が有限に異なる2つの物体間の緩やかな熱伝達が挙げられる。この場合、熱伝達速度は、2つの物体間の熱伝導率の低い隔壁によって制御される。このような場合、過程がどれほどゆっくり進行しても、2つの物体からなる複合系の状態は平衡状態から大きくかけ離れている。なぜなら、この複合系の熱平衡には、2つの物体が同じ温度である必要があるからである。しかしながら、可逆的な熱伝達に関するクラウジウスの等式を用いて、各物体のエントロピー変化を計算することは可能である。

1. 定圧：等圧過程、$${\displaystyle W_{1-2}=\int P\,dV=P(V_{2}-V_{1})}$$
2. 定積過程：等積過程、$${\displaystyle W_{1-2}=\int PdV=0}$$
3. 一定温度：等温過程、$${\displaystyle W_{1-2}=\int P\,dV,}$$ここで、P（圧力）はV（体積）に応じて変化する。${\displaystyle PV=P_{1}V_{1}=C}$、 それで$${\displaystyle W_{1-2}=P_{1}V_{1}\ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}}$$
4. ポリトロピック過程、$${\displaystyle W_{1-2}={\frac {P_{1}V_{1}-P_{2}V_{2}}{n-1}}}$$

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