熱力学における定積過程の基礎と特性

熱力学において、定積過程（ていせきかてい、英: isochoric process）とは、系の体積が一定に保たれたまま状態が変化する熱力学過程のことを指します。別名として、等容変化とも呼ばれます。定積過程では、系の境界が移動しないため、気体などが外部にする（またはされる）体積変化による仕事がゼロになるという重要な特徴を持っています。

定積過程の物理的特性

定積過程においては、系が外部に対して行う体積仕事 $W$ は常にゼロとなります。熱力学第一法則によれば、系に加えられた熱量 $Q$ は、すべて系の内部エネルギーの変化 $U$ に変換されます。したがって、熱の出入りはそのまま内部エネルギーの増減に直結します。

理想気体の定積過程

理想気体における定積過程では、シャルルの法則が成り立ちます。体積が一定であるとき、気体の圧力 $p$ は絶対温度 $T$ に比例します。また、定積モル熱容量 $C_v$ を用いることで、内部エネルギーの変化量を正確に計算することが可能です。

関連する熱力学過程

熱力学には、定積過程のほかにも、圧力が一定の定圧過程や、温度が一定の等温過程、熱の出入りがない断熱過程など、さまざまな基本過程が存在します。これらを組み合わせることで、さまざまな熱機関のサイクルが構成されます。