状态函数和过程量的本质

文摘 2024-12-06 18:24 山西

状态函数和过程量是两类完全不同的物理量。

状态函数的本质

状态函数的本质是系统的性质。

具体为：状态函数是用于表征体系特性的宏观性质，它从不同角度描述了系统所处的状态，如温度反映了系统内部分子热运动的剧烈程度，压强体现了系统对容器壁的作用力，热力学能是系统内部蕴含的所有能量之和等。

当系统处于平衡态时，这些状态函数都有确定的数值，一旦系统的状态确定，其所有状态函数的值也就唯一确定，就像一个物体的质量，一旦确定了指定物体，那么这个物体的质量就有确定之，这个质量就是描述这个系统的状态函数。

状态函数与系统的微观状态存在对应关系。

从微观角度看，系统的宏观状态函数是大量微观粒子行为的统计平均结果。例如，温度与分子的平均动能相关，压强与分子对容器壁的碰撞频率和力度有关。不同的微观状态可能对应相同的宏观状态，而状态函数正是对这些宏观状态的定量描述，忽略了微观细节上的差异。

状态函数具有全微分性质。

在数学上，状态函数的微变是全微分，这意味着其积分与路径无关。也就是说，无论系统从一个状态变化到另一个状态经过何种具体过程，状态函数的变化值只取决于初末状态，只要初末状态确定，其变化值就是固定的。

这一性质反映了状态函数的本质特征，即其值由系统的状态唯一确定，而与达到该状态的途径无关。

状态函数相互关联、相互制约。

状态函数之间不是孤立的，而是存在着一定的相互关系。例如，对于理想气体，状态方程(pV=nRT)就关联了压强(p)、体积(V)、温度(T)和物质的量(n)这几个状态函数。这种相互关联和制约体现了系统状态的整体性和内在一致性，这也是为通过已知的状态函数求解其他未知的状态函数提供了依据。

简言之，状态函数的特性可描述为：

异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。

过程量的本质

过程量是系统状态变化过程的度量。

过程量是描述物质系统状态变化过程的物理量，它关注的是系统从一个状态到另一个状态所经历的过程，而不仅仅是初末状态本身。例如，功是力在位移上的积累，热量是由于温度差导致的能量传递，它们都与系统状态变化的具体方式和过程密切相关。

过程量反映系统与外界的相互作用。

过程量通常涉及系统与外界之间的能量或物质交换。功是系统与外界之间通过宏观位移发生的能量传递形式，热是由于温度差引起的系统与外界之间的能量转移。这些过程量的存在表明系统不是孤立的，而是与外界存在着相互作用，并且这种相互作用导致了系统状态的改变。

过程量的变化多少与路径有关。

与状态函数不同，过程量的值不仅取决于系统的初末状态，还与从初态到末态所经历的具体路径或过程有关。即使初末状态相同，不同的过程路径会导致过程量具有不同的值。例如，一个物体从一个位置移动到另一个位置，沿着不同的轨迹移动时，所做的功是不同的，因为功等于力与位移的点积，而位移的路径不同，力所做的功也就不同。

过程量具有过程的累积性。

过程量是在系统状态变化过程中逐步累积产生的，它随着过程的进行而不断变化，并且在过程结束时其值才最终确定。例如，在一个加热过程中，热量是逐渐传递到系统中的，随着时间的推移和过程的持续，传递的热量不断累积，直到达到最终的平衡状态或过程结束。

状态函数和过程量的区别

(1)状态函数决定于系统的状态，而过程量取决于过程和途径。所以状态函数用来描述系统所处的特定状态，而过程量用于描述经历过程。

(2)当系统中发生变化时，状态函数的变化只取决于系统的初末状态，而与变化的具体方式(过程)无关。因而在计算状态函数变化时，若给定过程不能或不易求得，可通过设计途径进行计算。

与此相反，过程量则不可以设计途径进行计算，因为对于不同途径，它们的值可能不同。功和热是在系统与环境之间的两种能量传递方式，在系统内部不能讨论功和热。可见在计算W和Q时，首先要明确系统是什么，其次要搞清过程的特点。

(3)若A代表某个状态丽数，任意一个过程的状态函数变为△A，功和热为W和Q。

假设该过程在相反方向进行时上述各量分别为△A逆、W逆、Q逆，则有：

△A=-△A逆，

而不一定有：

W=-W逆

以及Q=-Q逆。

-作者介绍-

2020年博士毕业，现就职于一所地方高校，主讲《物理化学》课程。

专注→低成本功能材料开发，包括碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用，欢迎合作，资助，交流。

邮箱：xidsuo@126.com

爱折腾、爱学习、有一颗好奇的心，知上进，懂感恩的科学工作者。

愿望是拥有足够的科研经费按自己喜欢的方式折腾！

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