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熱力学図とは、物質（通常は流体）の熱力学的状態と、その物質を操作した際に生じる影響を表す図のことです。例えば、温度-エントロピー図（T-s図）は、圧縮機によって流体の状態が変化した際の挙動を示すために使用できます。
特に気象学においては、これらの図は、通常は気象観測気球を用いて得られるラジオゾンデの測定値から得られる大気の実際の状態を分析するために用いられます。このような図では、気圧に対する温度と湿度（露点で表される）の値が表示されます。したがって、この図は、大気の成層構造と水蒸気の鉛直分布を一目で把握できます。さらに分析を進めることで、対流雲の実際の底部と頂部の高さ、あるいは成層構造における不安定性の可能性を知ることができます。
太陽放射によるエネルギー量を仮定することで、日中の地上2メートル（6.6フィート）の気温、湿度、風速、大気境界層の発達、雲の発生と発達、日中の滑空飛行の条件を予測することが可能です。
熱力学図の主な特徴は、図中の面積とエネルギーが等価であることです。空気がプロセス中に圧力と温度を変化させ、図中に閉じた曲線を描く場合、この曲線で囲まれた面積は、空気が獲得または放出したエネルギーに比例します。
一般的な図には以下が含まれます。
気象サービスにおいては、主に4種類の熱力学図が用いられます。
これら4つの図はすべて、圧力（ P）と比容積（α ）を基本座標とする物理P-α図から導出されたものです。P-α図は、大気条件によってグリッドが大きく変形するため、大気科学においては有用ではありません。これらの図は、適切な座標変換を用いてP-α図から作成されています。
エネルギーと面積の等価性を表示しない、広く使用されているもう 1 つの図は、境界層気象学で広く使用されているθ-z 図(シータ高さ図)です。
熱力学図は通常、5つの異なる線が網羅的に描かれている。
気温減率、乾燥断熱減率（DALR）、湿潤断熱減率（MALR）が求められます。これらの値を用いることで、雲凝結高度、自由対流高度、雲形成開始などのパラメータを観測データから導き出すことができます。
システムが初期平衡状態から最終平衡状態へ移行する経路または一連の状態[ 1 ]であり、圧力-体積(PV)図、圧力-温度(PT)図、温度-エントロピー(Ts)図[ 2 ]でグラフィカルに表示できる。
プロセスにおいて、開始点から終了点までの経路は無限に存在する。多くの場合、経路は重要であるが、熱力学的特性の変化は初期状態と最終状態のみに依存し、経路には依存しない。[ 3 ]
体積V 1のガスが入ったシリンダー内に、温度T 1のガスを考えます。このガスの上には、自由に浮動するピストンが置かれています。図 1 に示すように、ガスを加熱して温度をT 2まで上昇させ、ピストンをV 2まで上昇させると、ピストンが自由に浮動するため圧力は一定に保たれ、等圧過程または定圧過程となります。この過程は、PV 線図上で状態 1 から状態 2 までを結ぶ水平な直線で表されます。
プロセスで行われる仕事を計算することはしばしば有益です。プロセスで行われる仕事は、PV図上のプロセス経路の下の面積です。図2プロセスが等圧であれば、ピストンで行われる仕事は簡単に計算できます。たとえば、ガスがピストンに対してゆっくりと膨張する場合、ピストンを上げるためにガスが行う仕事は、力Fと距離dの積です。しかし、力はガスの圧力Pとピストンの面積Aの積に等しく、 F = PAです。[ 4 ]したがって
ここで、ピストンがシリンダー壁との静止摩擦のためにシリンダー内でスムーズに動けないと仮定しましょう。温度がゆっくりと上昇すると仮定すると、プロセス経路は直線ではなく、等圧ではなくなり、摩擦力を超える力が加わるまで等尺性プロセスを経て、その後平衡状態に戻る等温プロセスを経て変化します。このプロセスは最終状態に達するまで繰り返されます。図3を参照してください。この場合、摩擦抵抗に必要な追加の仕事があるため、ピストンになされる仕事は異なります。摩擦によってなされる仕事は、これら2つのプロセス経路でなされる仕事の差になります。
多くのエンジニアは、簡略化されたモデルを作成するために、最初は摩擦を無視します。[ 1 ]より正確な情報としては、静止摩擦を超える最高点の高さ、つまり最大圧力は摩擦係数に比例し、温度が十分にゆっくりとした速度で上昇した場合、通常の圧力に戻る傾斜は等温プロセスと同じになります。[ 4 ]
この過程におけるもう1つの経路は等尺過程です。これは体積が一定に保たれる過程であり、PV図上では垂直線として表されます。図3この過程ではピストンは動かないため、仕事は行われません。[ 1 ]