2.1　热力学术语和基本概念

2.1.1　系统和环境

物质世界是无穷尽的，研究问题只能选取其中的一部分。系统是被人为地划定的作为研究对象的那部分物质世界，即被研究的物质和它们所占用的空间。系统具有边界，这一边界可以是实际的界面，也可以是人为确定的用来划定研究对象的空间范围。环境是指体系边界之外的，与体系之间产生相互作用和相互影响的部分。

例如，要研究水杯中的水，则水是体系；水面以上的空气、盛水的杯子、乃至放杯子的桌子都是环境。又如，某容器中充满空气，要研究其中的氧气，则氧气是体系，空气中的其他气体如氮气、二氧化碳及水蒸气均为环境，容器以外的一切都可以认为是环境。通常说的环境是指那些和体系之间有密切关系的部分。

体系与环境之间的关系，按照物质交换和能量交换的不同，通常分为三类。

①封闭体系：体系与环境无物质交换而有能量交换。如对盛有水的广口瓶上再加一个塞子，即成为封闭系统。因为这时水的蒸发和气体的溶解只限制在瓶内进行，体系和环境间仅有热量交换。

②敞开体系：体系与环境既有物质交换又有能量交换。例如，一个敞口的盛有一定量水的广口瓶，就是敞开系统。因为这时瓶内既有水的不断蒸发和气体的溶解（物质交换）；又可以有水和环境间的热量交换。

③孤立体系：体系与环境既无物质交换又无能量交换。例如将水盛在加塞的保温瓶（杜瓦瓶）内，即是孤立系统。

在热力学中主要研究封闭体系。

2.1.2　状态和状态函数

热力学中，体系的性质确定体系的状态。体系的状态是体系一切性质的综合表现。性质指温度、压力、体积、物质的量等。由一系列表征体系性质的物理量确定下来的体系的存在形式称为体系的状态。

当体系的所有性质各具有确定的值而不再随时间变化时，体系处于一定的状态。如果体系有一种性质发生了变化，则体系的状态发生了变化。能够确定体系状态的物理量叫做状态函数。状态一定则体系的各状态函数有一定的值。体系的一个状态函数或几个状态函数发生了改变，则体系的状态发生变化。即体系处于一定的状态时，状态函数有确定的值，而当体系的状态发生变化时，状态函数也要发生相应的变化，其变化值完全由始终态决定，与状态变化的途径无关。循环过程中，状态函数的变化为零。

体系发生变化前的状态称为始态，变化后的状态称为终态。显然，体系变化的始态和终态一经确定，各状态函数的改变量也就确定了。状态函数的改变量常用希腊字母Δ表示。如始态的温度为T1，终态的温度用T2表示，则状态函数的改变量ΔT=T2-T1。同样可以理解状态函数的改变量ΔV和Δn的含意。

有些状态函数，如V和n等所表示的体系的性质具有加和性。如某体系的体积V=5dm3，它等于体系的各部分的体积之和，体系的这类具有加和性的性质，称为体系的量度性质或广度性质。

也有些状态函数，如p和T等所表示的体系的性质，不具有加和性，不能说体系的温度等于各部分的温度之和，体系的这类不具有加和性的性质称为强度性质。

2.1.3　过程和途径

体系状态的变化称为过程。实现过程的每一种具体方式称为一种途径。变化前体系所处的状态称为初始状态（简称始态），变化后体系所处的状态称为最终状态（简称终态）。有一些过程是在特定的条件下进行的，如下所述。

①等温过程：过程中始态、终态和环境的温度相等（ΔT=0），并且过程中始终保持这个温度。等温变化和等温过程不同，它只强调始态和终态的温度相同，而对过程中的温度不作任何要求。

②等压过程：过程中始态、终态和环境的压力相等（Δp=0）。等压变化和等压过程不同，它只强调始态和终态的压力相同，而对过程中的压力不作任何要求。

③等容过程：始态、终态体积相等，并且过程中始终保持这个体积（密闭容器） （ΔV=0）。

④绝热过程：过程中系统和环境无热量交换（ΔQ=0）。

体系经历一个过程，由同一始态变化到同一终态，可以采取许多种不同的途径。例如，某理想气体，经历如下一个热力学过程可以采取几种不同的途径，如图2-1所示。

状态函数改变量，取决于始终态，与采取哪种途径来完成这个过程无关。如上述过程中状态函数T的改变量ΔT=T终-T始，状态函数p的改变量Δp=p终-p始，和途径无关。

过程的关键是始态和终态，而途径则着眼于具体实施方式。