Question

热力学中的几个概念

Answer 1

热力学是研究物质热运动规律及其应用的一门学科。

（一）体系和环境

热力学中把被研究的那部分物质对象称为热力学体系，简称体系。体系以外与体系有关联的其它物体称为环境。一杯水、一个地质露头、一个蓄水构造、一个矿体、磨片中的一个矿物……，都可作为一个体系。

体系常分成三种。与环境之间只有能量交换而无物质交换的体系，称为封闭体系，简称闭系。既有能量交换又有物质交换的体系，称为敞开体系，简称开系。能量交换和物质交换两者全无的体系，称为孤立体系，简称孤立系或孤系。

闭系、开系和孤立系的划分不是固定不变的，视需要和方便而定。例如，考虑一个蓄水构造，如果我们只关心地下水在蓄水构造中径流，只有温度、压力等变化，地下水不与含水介质发生化学作用，它就是一个闭系，含水介质就是它的环境。如果我们既要关心地下水受温度、压力等的变化，还要关心地下水与含水介质发生化学作用，它就是一个开系，而含水介质仍是它的环境。但是，也可把地下水与含水介质看成一个整体，地下水与含水介质间发生的化学作用看作是在这个整体内部发生的，这个整体就是一个孤立体系了。

（二）状态和过程

当体系的各种性质（如：温度、压力、体积、浓度、密度、比热、粘度……等等）同时都具有确定的数值时，就称该体系处于某一定的状态。如果这些性质中的一个或多个发生了变化，就意味着体系的状态发生了变化。也就是说，热力学中用体系的性质来确定体系的状态和状态的变化。反之，如果体系的状态确定了，体系的一切性质也就完全定了。

体系的各种性质称为状态函数，因为它们确定体系的状态。状态函数只与体系的开始状态（始态）和最终状态（终态）有关，而与体系通过什么途径（由始态到终态）无关。

满足化学平衡条件的体系，在其内部应视为无化学反应发生，或虽有化学反应发生，但其正、逆反应进行的速度相等，所以体系仍处于平衡状态。判断化学反应是否已达平衡，可每隔一段时间从体系中取样分析，若历次测定的浓度不变，就说明体系已到达了平衡状态。也可采用其它的判断方法。

体系从一个状态（始态）变至另一个状态（终态），称为热力学过程，简称过程。体系从始态到终态的转变（即过程）常可借助不同的方法、方式或步骤经过不同的经历而达到。每种经历称为一个途径。过程的种类繁多，有的简单，有的复杂。象水的蒸发、盐湖的干涸、矿物或矿床的形成、元素的迁移和富集……等等，都是过程的例子。

（三）气体常数（R）

在任何压力和温度下，都能服从气体状态方程：

水文地球化学基础

式中：P——气体压力；

V——气体的体积；

n——气体的摩尔数；

R——比例常数，称为气体常数；

T——绝对温度。

该气体被称为理想气体。它是从实际气体的低压性质中抽象出来的。在自然界中，真正的理想气体是不存在的，但是，如果把实际气体的压力减小到充分地小，实际气体就可按理想气体看待，式（1-1）就可适用了。

R的数值与P、V的选用单位有关。在国际单位制（SI制）中，压力的单位是Pa，即N·m^-2；体积单位是m³。在101325Pa和273.15K（即0℃）时，1mol理想气体的体积是2.2414×10^-4m³，由（1-1）式得：

水文地球化学基础