热力学函数基本关系式

对于封闭系统,将热力学第一定律与热力学第二定律相结合,可以得到如下一组关系式:

dUTdS-pdV        (1)

dHTdS+Vdp        (2)

dA=-SdT-pdV        (3)

dG=-SdT+Vdp        (4)

式中U为内能;H为焓;A为亥姆霍兹函数;G吉布斯函数;S为熵;T为热力学温度;V为体积;p为压力。这一组关系式就称为封闭系统的热力学函数基本关系式。式(1)~(4)只适用于内部平衡且不做非体积功的封闭系统。

利用上述基本关系式的积分,可以求得一个封闭系统经历一个任意可逆过程后状态函数的变化。对于只由两个独立变量便可描述的封闭系统(即没有不可逆的化学变化和相变化的封闭系统),上述基本关系式实际上可看作状态函数UHAG的全微分表达式。无论过程是否可逆,它们的积分都存在,且只由系统的始、终态决定。因此,对这样的系统,不可逆过程的状态函数的变化,也可由上述基本关系式积分求得。

利用封闭系统的热力学基本关系式,还可以推导出许多重要的关系式。例如,从式(1)~(4)可导出:

T=(дUS)V=(дHS)p (5)

p=-(дUV)S=-(дAV)T (6)

V=(дHp)S=(дGp)T (7)

S=-(дAT)V=-(дGT)p (8)

利用数学上的全微分性质,还可由式(1)~(4)导出:

TV)S=-(дpS)V (9)

Tp)S=(дVS)p (10)

SV)T=(дpT)V (11)

Sp)T=-(дVT)p (12)

式(9)~(12)称为麦克斯韦关系式组。利用此关系式,可把一些实验上难以测量的量〔如(дSp)T〕转化为易于测量的量〔如(дVT)p〕。

利用麦克斯韦关系式,可从式(1)和(2)导出:

UV)TTpT)V-p (13)

Hp)T=-TVT)p+V (14)

式(13)、(14)描述了系统的内能U和焓H随系统的体积和压力的变化关系,通常称为热力学状态方程

对化学组成可变的均相系统,式(1)~(4)可改写为:

公式 符号   (15)公式 符号   (16)公式 符号   (17)公式 符号   (18)

式(15)~(18)称为开放系统的热力学函数基本关系式。式中μB为系统中物质B的化学势;dnB为物质B的物质的量的微小变化值。

如果系统在变化过程中除体积功和化学功外还有其他功(如电、磁、表面功等),则热力学函数基本关系式的形式为

公式 符号   (19)公式 符号   (20)公式 符号   (21)公式 符号   (22)

式中W ′为除体积功以外的其他功。