逆温度

逆温度 thermodynamic beta inverse temperature
量記号	β
次元	L −2 M −1 T 2
SI単位	毎ジュール (J−1)
CGS単位	毎エルグ (erg−1)

逆温度（ぎゃくおんど） は、統計力学によって定義される物理量。統計集団を用いて平衡状態を記述する際に重要な役割を担うパラメーターとして現れる。逆温度βは絶対温度Tとボルツマン定数k_Bを用いて次のように定義される。

$\beta = \frac{1}{k_B T}$

統計力学における定義

統計力学では、逆温度βは接触した二つの系の平衡状態を考えることで定義される。

熱的に接触した二つの系1と2を考え、それぞれのエネルギーをE₁、E₂とする。E₁とE₂の和を一定であるとしてEとおく。それぞれの系の状態数をΩ₁、Ω₂とすると、状態数Ω_iはエネルギー E_i を含む関数であるので、二つの結合した系の状態数は次のように表せる。

$\Omega (E_1 + E_2)= \Omega_1 (E_1) \Omega_2 (E_2) = \Omega_1 (E_1) \Omega_2 (E-E_1) \,$

ここで、平衡状態に達した系の状態数は停留値をとると仮定すると、平衡状態において上式の両辺をE₁で微分して、

$\frac{\partial}{\partial E_1} \Omega (E_1 + E_2) = \Omega_2 (E_2) \frac{\partial}{\partial E_1} \Omega_1 (E_1) + \Omega_1 (E_1) \frac{\partial}{\partial E_2} \Omega_2 (E_2) \cdot \frac{\partial E_2}{\partial E_1} = 0$

となる。一方、E₁ + E₂ = E（Eは定数）であるので、

$\frac{\partial E_2}{\partial E_1} = -1$

となり、これを用いると、

$\Omega_2 (E_2) \frac{\partial}{\partial E_1} \Omega_1 (E_1) - \Omega_1 (E_1) \frac{\partial}{\partial E_2} \Omega_2 (E_2) = 0$

すなわち、

$\frac{\partial}{\partial E_1} \ln \Omega_1 (E_1) = \frac{\partial}{\partial E_2} \ln \Omega_2 (E_2)$

となる。この関係式よりβを次のように定義する。

$\beta = \frac{\partial}{\partial E}\ln \Omega(E)$

熱力学との関係

上の項で統計力学的に定義したβを、熱力学の関係式と比較することで、逆温度βと絶対温度Tの関係式が求まる。

エントロピーの定義式

$S = k_B \ln \Omega \,$

より、lnΩをβの定義式へ代入すると、

$\beta = \frac{1}{k_B} \frac{\partial S}{\partial E}$

となる。これを熱力学の公式

$\frac{\partial S}{\partial E} = \frac{1}{T}$

と比較すると、βとTの関係式が次のように求まる。

$\beta = \frac{1}{k_B T}$

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