当热力学遇上化学

力热电磁声光是物理的六个大方向。如果我们把热力学简单粗暴地分解为热学和力学的话，用热力学来研究化学便是《物理化学》中重要的一节内容。如果用一个短语来概括这个内容的话，我想可以是：描述平衡与非平衡的体系状态。

说到体系状态，我们会想到状态函数 PVT/UH/S/AG等，这些函数只与状态有关，至于前一个状态经过什么过程达到这个状态则与状态本身无关，因此WQ等不是状态函数。给定了一个平衡状态，状态函数就确定了。

怎样称为平衡态呢，就是体系达到热平衡/力学平衡/相平衡/化学平衡。那怎样通过状态函数构成的方程来判定是否是一个平衡态呢？为了了解这一点，于是便有了S。一个重要的原理便是：一个孤立体系的S永不减少。如果不再增加，我们就可以说这个孤立体系达到了平衡态。为了把这一原理方便地应用于开放体系，便有了UHAG的出现。在等TV且W'=0时我们用UA，在等TP且W'=0时我们用HG。AG变化为0时，我们便说到了平衡态，否则在非平衡态AG是减小的，发生自发反应，这种减小越来越小直道为0达到平衡态。而UH的变化则用来描述反应的热效应(吸热/放热)。

描述体系的平衡态有如此多的状态函数，我们为了描述，需要那么多的函数吗？须知各个状态函数之间是关联着的，比如UH便是T的函数，又比如G可以用(H-TS)来表示。那么只要知道几个状态函数(自由度)就足够来描述呢？为此，我们有了相律，自由度Freedom=Components-Phases+2, (F=C-P+n, 通常n=2表示温度压力两个可变函数)。当把不同温度压力成分时达到的平衡态构成一张图，便是我们常说的相图了。

注： P pressure V volume T temperature /U internal energy H entralpy /S entropy /A Helmholtz free energy G Gibbs free energy /W PV-work Q heat W' non-PV-work