态函数

在平衡热力学中， 态函数（英语：state function）又称状态函数、热力学函数（thermodynamic function），是描述系统热力学状态的宏观物理性质的函数。处于平衡状态的热力学系统，各宏观物理量具有确定的值，并且这些物理量仅由系统所处的状态所决定，与达到平衡态的过程无关。决定物质状态的物理量被称为状态函数。其中包含了“热力学势”，热力学势特指下面提到的四个具有能量量纲的热力学函数。

热力学系统的状态函数一般存在一定的相互依存关系。如理想气体的状态方程中，可以任意选取其中的两个状态函数为独立变量，而把其他的统计量看作它们的函数。热力学函数之间的依存关系具有普适性。

简单系统的的热力学函数

简单热力学系统（如量子、经典气体系统）一般具有以下热力学函数，可以任意选取其中两个作为独立变量： 量纲（单位）不是能量的热力学函数

物理量	符号	单位
体积	V	m3
压强	P	Pa和atm
温度	T	K和℃
熵	S	J/(mol·K)

量纲（单位）是能量的热力学势

物理量	符号	单位
内能	U	J
焓	H	J
吉布斯能	G	J
亥姆霍兹自由能	F	J

热力学势

参见：热动力势能

上面给出的热力学函数中，后四个具有能量的量纲，单位都为焦耳，这四个量通常称为“热力学势”。

内能	$U$	有时也用E表示
亥姆霍兹自由能	$A=U-TS$	也常用F表示
焓	$H=U+PV$
吉布斯能	$G=U+PV-TS$

其中，

T =温度，

S =熵，

P =压强，

V =体积

具有 广义力 和 广义位移 $X_{i}$ $x_{i}$ 热力学系统， 内能$U$的微分式可从热力学第一定律得知：

$dU=T\,dS-\sum _{i}X_{i}\,dx_{i}+\sum _{j}\mu _{j}\,dN_{j}\,$

公式内的U、S和V是热力学的状态函数，也可用于非平衡、不可逆的过程。

其余三个热力学势可经由 勒让德变换 (Legendre transform)转换自变数而得到。

$\mathrm {d} U\,$	$\!\!=\!\!$		$T\mathrm {d} S\,$	$-\,$	$p\mathrm {d} V\,$	$+\sum _{i}\mu _{i}\,\mathrm {d} N_{i}\,$
$\mathrm {d} F\,$	$\!\!=\!\!$	$-\,$	$S\,\mathrm {d} T\,$	$-\,$	$p\mathrm {d} V\,$	$+\sum _{i}\mu _{i}\,\mathrm {d} N_{i}\,$
$\mathrm {d} H\,$	$\!\!=\!\!$		$T\,\mathrm {d} S\,$	$+\,$	$V\mathrm {d} p\,$	$+\sum _{i}\mu _{i}\,\mathrm {d} N_{i}\,$
$\mathrm {d} G\,$	$\!\!=\!\!$	$-\,$	$S\,\mathrm {d} T\,$	$+\,$	$V\mathrm {d} p\,$	$+\sum _{i}\mu _{i}\,\mathrm {d} N_{i}\,$

通过对以上微分表达式求偏导，可以得到T，S，P，V四个变量的偏导数间的“麦氏关系”

相关条目

• 热力学势

延伸阅读

• Alberty, R. A. Use of Legendre transforms in chemical thermodynamics (PDF). Pure Appl. Chem. 2001, 73 (8): 1349–1380 [2010-12-23]. doi:10.1351/pac200173081349. （原始内容存档 (PDF)于2017-08-14）. 
• Reichl, Linda E. A modern course in statistical physics 2 ed. London: Wiley. 1998. ISBN 0-471-59520-9. 
• 华彤文等 《普通化学原理》第三版 2005 ISBN 7-301-09213-X/O 0654