热力学的“状态与过程”是一组仍能不断产生新意的概念. 本文拟结合功热本质, 探究该命题.

  1. 状态

        热力学中系统的状态，也称“态”，是指系统所有热力学性质的集合. 

        系统状态确定，它的所有热力学性质均确定并单值.

        系统的热力学性质是指系统的客观属性，诸如：温度（T）、压强（p）、体积（V）、熵（S）、物质的量（n）、摩尔定压热容（C_p,m）、热力学能（U）、焓（ H）、吉布斯能（G）及亥姆霍兹能（ A）等.

   1.1 热力学平衡态

        热力学平衡态是指无论环境是否存在，系统的热力学性质（T、p、V、S及m等）均不随时间变化而发生改变. 处于热力学平衡态的系统必须同时满足热平衡（系统温度恒定）、力平衡（系统压强恒定），化学平衡（系统无可测化学反应发生）及相平衡（系统无可测相变进行）.

       由于范特霍夫平衡箱作用^[1]，平衡态热力学规定所有的热力学状态均为热力学平衡态.

  1.2 状态函数及分类

      热力学性质也称状态函数，状态函数一般可分为广度与强度性质两大类.

      ①广度性质：与系统物质的量成正比，具有加和性的状态函数，称广度、容量或广延性质. 比如热力学能（U）、焓（ H）及熵（S）等;

      ②强度性质：与系统物质的量无关，不具有加和性的状态函数称强度性质. 诸如温度（T）、压强（p）及密度（ρ）等.

  2. 过程

       系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态，称完成一个热力学过程，同一个热力学过程可由不同热力学途径实现, 有时也将热力学途径并称为热力学过程.

       按照系统熵变计算方法不同，可将过程分为元熵过程与复熵过程.

    2.1 准静态过程

       准静态过程^[2]是指热力学过程的任一瞬间，系统均无限小的偏离平衡，并随时可恢复平衡，客观要求该过程必须无限缓慢、连续且无突变，该过程δQ≡T▪dS，δW_V≡-p▪dV.

    2.1.1 热量（Q）

       热量^[3]是指系统与环境之间，用来改变系统混乱（无序）度的能量交换形式，记为：δQ≡T▪dS. 

       系统的混乱（无序）度通常是指系统微观粒子的几率分布，只要系统的规定熵发生变化，即dS≠0，则系统与环境之间，一定存在热量交换.

   2.1.2 体势变（W_V）

       体势变是系统与环境之间，用来改变系统空间势能的能量交换形式，记为：δW_V≡-p▪dV.

       需指出：热量与体势变的微分定义式，只有通过确定路径的积分，才能变为现实的热量及体势变，因此热量与体势变均为过程函数.

       热力学准静态过程可分为：①自发过程；②可逆过程（热力学平衡）^[4]；③非自发过程三种类型.

    2.2 元熵过程

       热力学元熵过程要求：dS=δQ/T.

       元熵过程包括①恒温恒压下的化学反应或相变；②恒温恒容下的化学反应或相变；③理想气体pVT变化的恒温、恒压、恒容或绝热过程等.

       元熵过程一定是准静态过程.

    2.3 复熵过程

       热力学复熵过程要求：dS=Σ（dS_i）=Σ（δQ_i/T_i）.

       复熵过程包括①理想气体由始态（p₁,V₁,T₁）变化至终态（p₂,V₂,T₂）;②恒压下，1摩尔25℃的水与足够量0℃的冰混合等.

      由于元熵过程最接近于功、热的本质，平衡态热力学通常只研究热力学元熵过程.

   3. 结论

   ①热力学状态也称热力学平衡态；

   ②平衡态热力学通常只研究热力学元熵过程；

   ③热量与体势变均为过程函数.

参考文献

[1]余高奇. 范特霍夫平衡箱与热力学平衡态.http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666. 科学网博客, 2022,1.

[2]余高奇. "准静态过程"假说的自恰性探讨.http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666. 科学网博客, 2022,1.

[3]余高奇. 热力学第一定律研究..http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666. 科学网博客, 2021,8.

[4]余高奇. "准静态过程"假说与经典热力学的主要热力学性质对比.http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666. 科学网博客, 2022,1.