평형(equilibrium)

물체(또는 물질)의 상태가 시간의 경과에 따라 변화하지 않고 일정할 때의 상태. 균형이라고도 한다.


외부로부터의 작용을 전혀 받지 않는 물체는 평형상태에 있다. 물체가 둘 이상이 있을 경우에는 하나의 물체계(物體系) 전체가 균형을 이루는 것을 말한다.


평형은 역학적 평형·열평형·화학평형으로 나누어진다.


〔열평형〕 물체의 상태를 나타내는 양(수학적 용어로는 변수)을 상태변수라고 하고, 이 때 물체의 상태를 외부에서 규정하는 변수를 세기변수라 하며, 이 세기변수 아래 결정되는 물체의 상태를 나타내는 변수는 크기변수라 한다.


예컨대 역학적 변수에서의 힘은 세기변수이며 부피는 크기변수이다.


「물체계를 고립상태에서 충분히 오랜 시간 유지하면, 물체계의 상태변수는 각각 시간의 경과와 함께 변하지 않는 일정한 값을 취한다」는 자연계의 경험법칙은 열평형 또는 열평형상태를 가리킨다.


특히 물체계가 2개의 물체로 이루어져 있을 경우, 열적 세기변수가 이 2개의 물체에 공통으로 되어 있으면 두 물체는 열평형상태에 있다.


마찬가지로 「물체 A와 물체 B가 열평형에 있고, 또 물체 A와 물체 C도 열평형에 있을 때는 물체 B와 물체 C도 열평형에 있다」는, 세 물체 사이의 열평형법칙에 따라 「열평형상태에 있는 물체계를 구성하는 각 물체의 열적 세기변수는 모두 같다」고 말할 수 있다.


이 공통하는 열적 세기변수가 온도라는 가장 중요한 열적 변수이다.


세기변수와 크기 변수는 항상 쌍을 이룬다. 온도라는 열적 세기변수와 쌍을 이루는 열적 크기변수는 엔트로피이다.


물체(또는 물체계)의 안정성을 나타내는 척도는 그 물체의 열역학적 포텐셜, 즉 열역학함수이다.


이것은 순(純)역학현상에서의 위치에너지에 해당한다.


열역학에 의하면, 물체의 열평형상태에서는 그 물체의 열역학적 포텐셜이 최소값을 취한다.


〔역학적평형〕 책상 위에 놓여 정지하고 있는 물체는, 그 물체에 작용하는 중력으로 책상을 누르고 있는 한편, 책상은 항력(抗力)으로 이 물체를 밀고 있다.


이러한 중력과 항력은 모두 연직선(鉛直線) 위에 있으며, 중력은 아래쪽을, 항력은 위쪽을 향하며, 양자의 크기는 같다.


일반적으로는 이것을 작용·반작용의 법칙이라고 한다.


이 예에서 물체가 정지하고 있는 까닭은, 물체가 시간과 함께 변하지 않는 상태, 즉 역학적 평형에 있기 때문이다.


〔화학평형) 화학적 변화의 평형을 화학평형, 액체상과 고체상 사이의 변화와 같은 상변화(相變化)의 평형을 상평형(相平衡)이라고 한다.


화학평형인 경우, 가역(可逆)반응에서 일어날 수 있는 반응의 한쪽 방향의 속도와 역(逆)방향의 반응속도가 같아졌을 때, 겉보기로는 정지상태에 있다.


상평형은 상의 경계를 통한 한쪽 상에서 다른 상으로의 이행속도와 그 반대방향으로의 이행속도가 균형을 이룰 때이며, 열역학적으로는 상 1, 2간의 어떤 성분에 대해 μ= μ로서 평형관계가 주어진다.