マイクロステートとマクロステートの違い

ミクロ状態とマクロ状態の重要な違いは、ミクロ状態が熱力学系の微細構造を指すのに対し、マクロ状態は熱力学系の巨視的な性質を指すことである...

ミクロ状態とマクロ状態の重要な違いは、ミクロ状態が熱力学系の微細構造を意味するのに対し、マクロ状態は熱力学系のマクロな性質を意味することである。

ミクロ状態とマクロ状態は、熱力学系で用いられる化学概念の2つの形態である。熱力学系のミクロな性質を表すのがミクロ状態、マクロな性質を表すのがマクロ状態である。一般に、マクロな状態の特性は、多くのミクロな状態から平均化されている。

カタログ

1. 概要と主な相違点 2. マイクロステートとは 3. マクロステートとは 4. 横並び比較 - マイクロステートとマクロステートの表形式 5. まとめ

マイクロステートは何ですか？

マイクロステートとは、熱力学系の微視的な性質を表す言葉である。古典熱力学では、熱力学系を巨視的な性質を含む巨視的な系として記述しています。しかし、これらの熱力学系はすべて原子で構成されているため、系内のすべての原子の量子状態を規定するミクロ状態の理解も重要である。

図01：サーマルシステム

例えば、ミクロの状態での変動はマクロの状態の1035倍であっても、このスケールでの変動はあり、マクロの状態では全く影響がない場合もある。マクロ状態には多数のミクロ状態が含まれる。このように、マクロ状態には複数の異なるミクロ状態が含まれることがある。つまり、熱力学系のマクロな状態の変化を、平均的なミクロな状態の変化で予測することができるのである。

マクロステートは何ですか？

マクロとは、熱力学系の巨視的な性質を表す言葉です。マクロな物性としてよく使われるのは、温度、圧力、体積、密度などである。ミクロの動きよりマクロの状態の方が断然大きい。前述したように、このサイズ差のために、ある小さな変化、すなわちミクロの状態の大きな変化は、マクロの状態では大きな変化をもたらさないことがある。したがって、マクロ状態は、熱力学系の完全な詳細ではなく、わずかな揺らぎ程度の大まかな指標を与えるものである。

図01: コイン2枚めくり時のミクロ状態とマクロ状態の関係

図1は、コインを2回投げたときのミクロ状態とマクロ状態の関係を示したもので、Hが「表」、Tが「裏」になっている。すべてのミクロ状態は等しい確率を持つが、マクロ状態（H、T）はマクロ状態（H、H）、（T、T）の2倍の確率を持つ。