平衡熱力学の基礎と系全体の特性

平衡熱力学（へいこうねつりきがく、英: Equilibrium thermodynamics）は、熱力学の主要な分野の一つであり、熱力学的平衡状態にある系、あるいは平衡状態の近傍にある系を対象として、熱や仕事、エネルギーの変換に関する法則を研究する学問です。物質の状態変化や化学反応などを巨視的な観点から記述するために広く用いられています。

熱力学の基本法則

平衡熱力学の体系は、経験的な事実に基づいたいくつかの基本的な法則（熱力学の法則）によって支えられています。これらの法則は、エネルギー保存の法則やエントロピー増大の原理などを定式化しています。

• 第零法則：熱的平衡に関する法則であり、温度の概念を定義する基礎となります。
• 第一法則：エネルギー保存則の熱力学的な表現であり、内部エネルギー、仕事、熱の間の関係を示します。
• 第二法則：エントロピーの概念を導入し、自然界における変化の方向性（不可逆性）を規定します。
• 第三法則：絶対零度において純物質の結晶のエントロピーがゼロになるという基準を与えます。

系の状態と特性

熱力学において、研究の対象となる領域を系と呼びます。系の状態は、いくつかの物理量（状態変数）によって特定されます。

状態量と特性

系の状態を表す変数は、系全体の大きさに依存する示量性変数（体積や内部エネルギーなど）と、系の大きさに依存しない示強性変数（温度や圧力など）に分類されます。また、状態の変化に伴う物理量には、状態のみによって決まる状態関数と、変化の経路に依存する過程関数（仕事や熱）があります。

熱力学ポテンシャル

特定の制約条件の下で系が平衡状態にあるとき、その状態を判定するために熱力学ポテンシャルが用いられます。代表的なものとして、内部エネルギー、エンタルピー、ヘルムホルツの自由エネルギー、ギブズの自由エネルギーがあります。