第二節(jié) 狀態(tài)和基本狀態(tài)參數(shù)

一、狀態(tài)和平衡狀態(tài)

熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為狀態(tài)。平衡狀態(tài)是指在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不隨時間改變的狀態(tài)。不受外界影響是指對系統(tǒng)不做功也不傳熱。系統(tǒng)的平衡包括系統(tǒng)各部分之間沒有熱量傳遞的熱平衡，沒有相對位移的力平衡，如有化學反應的系統(tǒng)還應考慮化學平衡。也就是說實現(xiàn)平衡狀態(tài)的條件是：系統(tǒng)內(nèi)部以及與外界之間同時滿足各類平衡或者說各種不平衡勢差全部消失。平衡狀態(tài)是熱力學的一個重要概念，本書僅討論平衡狀態(tài)。

二、狀態(tài)參數(shù)

描述熱力系統(tǒng)所處狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)的特征如下：

（1）狀態(tài)參數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)，狀態(tài)一旦確定，狀態(tài)參數(shù)就是唯一確定的，狀態(tài)參數(shù)不變狀態(tài)也是唯一確定的。

（2）狀態(tài)參數(shù)的變化只與工質(zhì)的初終狀態(tài)有關，而與狀態(tài)變化的途徑無關，可以表示為

式中 x——工質(zhì)的某一狀態(tài)參數(shù)。

熱力學中常用的狀態(tài)參數(shù)有比體積、壓力、溫度、熱力學能、焓、熵等。其中比體積(v)、壓力(p)、溫度(T)稱為基本狀態(tài)參數(shù)。

三、基本狀態(tài)參數(shù)

（一）比體積（v）和密度（ρ）

比體積是指單位質(zhì)量工質(zhì)所占有的體積，單位是m³/kg，也可稱為比容。如質(zhì)量為m的氣體，占有的體積為V，則比體積為

密度是指單位體積內(nèi)所含工質(zhì)的質(zhì)量，單位是kg/m³。若體積為V的氣體，具有的質(zhì)量為m，則密度為

顯然，比體積v與密度ρ之間互為倒數(shù)，即vρ=1，兩者不是獨立參數(shù)，都是用來描述工質(zhì)聚集的疏密程度。

（二）壓力（p）

單位面積上所承受的垂直作用力稱作壓力（即壓強）。按分子運動學說，氣體的壓力是氣體的大量分子向容器壁面撞擊所產(chǎn)生的平均結果。壓力的國際單位是帕（帕斯卡），符號為Pa，1Pa=1N/m²。工程上常見的壓力單位還有：兆帕（MPa）；千帕（kPa）；巴（bar）；標準大氣壓（atm）（又稱物理大氣壓）；工程大氣壓（at）（簡稱大氣壓）；毫米水柱（mmH₂O）；毫米汞柱（mmHg）。其中1MPa=10⁶Pa；1kPa=10³Pa；1bar=10⁵Pa。

各種壓力單位之間的換算關系見表1-1。

壓力通常用壓力計測量。而壓力計本身處于大氣壓力p_b作用下，受其影響，其測量值是一相對壓力。而容器內(nèi)工質(zhì)的實際壓力稱為絕對壓力，用符號p表示。如圖1-2所示，當p>p_b時，壓力計的測量值稱為表壓力，用符號p_e表示，則

當p<p_b時，壓力計的測量值稱為真空，用符號p_v表示，則

表壓力p_e和真空p_v不僅與工質(zhì)的狀態(tài)有關，還與大氣壓力p_b有關，即使工質(zhì)的狀態(tài)不變，大氣壓力p_b發(fā)生變化時，它們也要變化。因此，它們不是狀態(tài)參數(shù)。只有絕對壓力才是系統(tǒng)所處狀態(tài)的單值函數(shù)，才是狀態(tài)參數(shù)。在后續(xù)內(nèi)容中所講的壓力，未作特別說明的均指絕對壓力。

【例1-1】 某容器的壓力表讀數(shù)為1MPa，當時當?shù)卮髿鈮毫?01325Pa。當容器內(nèi)氣體狀態(tài)未變，而當時當?shù)卮髿鈮毫ψ優(yōu)?00000Pa。問：此時壓力表的讀數(shù)為多少?容器內(nèi)氣體的絕對壓力為多少?

解 壓力表讀數(shù)為表壓力。

瓶內(nèi)氧氣的絕對壓力為

此例題說明：即使絕對壓力不變，壓力表的讀數(shù)也隨當時當?shù)丨h(huán)境壓力發(fā)生改變。

（三）溫度（T）

溫度是物體冷熱程度的標志。根據(jù)分子運動學說，溫度是物體分子熱運動激烈程度的標志。當溫度計與被測物體達到熱平衡時，溫度計指示的溫度就是被測物體的溫度。

衡量溫度的標尺稱為溫標。熱力學溫標是目前國際規(guī)定的基本溫標，用這種溫標確定的溫度稱為熱力學溫度，以符號T表示，單位為開爾文，簡稱“開”，以符號K表示。與熱力學溫標并用的還有攝氏溫標，用這種溫標確定的溫度稱為攝氏溫度，以符號t表示，單位為攝氏度，以符號℃表示。攝氏溫度和熱力學溫度之間的關系為