經(jīng)典熱力學(xué)中把系統(tǒng)在任何瞬時(shí)所處的宏觀物理狀況稱作系統(tǒng)的狀態(tài)。而把用來描述系統(tǒng)所處狀態(tài)的物理量,即系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)稱為狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)僅取決于系統(tǒng)的狀態(tài)。系統(tǒng)狀態(tài)一定,則系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)亦一定。系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化,則描述該系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)中至少有一種參數(shù)會(huì)隨之變化。狀態(tài)參數(shù)在數(shù)學(xué)上具有下列性質(zhì):
(1)討論的是均相流體系統(tǒng)時(shí),其物質(zhì)數(shù)量不變,組成不變,此系統(tǒng)的任意一個(gè)宏觀性質(zhì)是另外兩個(gè)獨(dú)立的宏觀性質(zhì)的函數(shù),即:
Z=f(x,y) [2-1-1]
亦就是說,討論體系中兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)x,y值如果被確定了,則代表討論系統(tǒng)中任一狀態(tài)參數(shù)Z的值亦是確定的。
(2)由于狀態(tài)參數(shù)僅取決于系統(tǒng)的狀態(tài),因而狀態(tài)參數(shù)的變化只取決于系統(tǒng)的初始狀態(tài)和最終狀態(tài),而與變化過程中一切中間狀態(tài)無關(guān),這在數(shù)學(xué)上可表示為:
熱力學(xué)中將此點(diǎn)作為討論的物理量是否是狀態(tài)參數(shù)的判斷依據(jù)。
經(jīng)典熱力學(xué)認(rèn)為,如果討論系統(tǒng)內(nèi)有處于不同狀態(tài)的各個(gè)部分,則就應(yīng)當(dāng)分別描述這個(gè)系統(tǒng)的不同部分。例如,每個(gè)討論物質(zhì)均可能具有兩個(gè)不同部分,即界面層部分和相內(nèi)區(qū)部分,這兩部分雖同屬一個(gè)物質(zhì),但各部分的狀態(tài)不同,故而應(yīng)當(dāng)分別描述這個(gè)系統(tǒng)的不同部分。
上述討論物質(zhì)中兩部分,界面層部分和相內(nèi)區(qū)部分在系統(tǒng)狀態(tài)上雖然彼此不同,但對(duì)于每一部分內(nèi)部而言可以認(rèn)為系統(tǒng)狀態(tài)是均勻相同的(需加說明的是從微觀結(jié)構(gòu)上來看,界面層內(nèi)在垂直界面方向上各處的性質(zhì)并不是均勻相同的,但經(jīng)典熱力學(xué)討論的是宏觀性質(zhì),這是微觀性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均值,從而可取統(tǒng)計(jì)平均值,認(rèn)為界面層內(nèi)狀態(tài)是均勻相同的).對(duì)此各個(gè)部分均可用一組參數(shù)來描述,因此如果將每一部分當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng),則這一系統(tǒng)就是所謂均勻系統(tǒng)。在經(jīng)典熱力學(xué)中按照Gibbs的提議,認(rèn)為系統(tǒng)中每個(gè)均勻部分均稱為是一個(gè)“相”,因此均勻系統(tǒng)就是單相系統(tǒng)。這是由于Gibbs認(rèn)為每相表面層均是一個(gè)沒有體積的二維幾何表面的自然結(jié)果。在界面化學(xué)理論中認(rèn)為均勻系統(tǒng)不一定就是一個(gè)“相”。如果討論的均勻系統(tǒng)是個(gè)氣相,特別是理想氣體組成的氣相,由于氣相一般可認(rèn)為不存在有界面層,故而由氣相組成的均勻系統(tǒng)可以認(rèn)為是一個(gè)“相”。這時(shí)這個(gè)單相系統(tǒng)是均勻系統(tǒng)。但是液相中界面層部分和相內(nèi)區(qū)部分均是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),而絕不能認(rèn)為這個(gè)是討論物質(zhì)的界面“相”,那個(gè)是討論物質(zhì)的相內(nèi)“相”。這里只有討論物質(zhì)一個(gè)相。界面區(qū)和相內(nèi)區(qū)只是討論相的一部分,或者說是討論相內(nèi)存在著兩個(gè)可以按照熱力學(xué)系統(tǒng)規(guī)律進(jìn)行獨(dú)立討論的均勻系統(tǒng)。這時(shí)單相系統(tǒng)就不是均勻系統(tǒng)。
界面化學(xué)理論對(duì)“相”的定義與物理學(xué)上對(duì)”相”的定義相似,即是:自然界中許多物質(zhì)都是以固、液、氣三種聚集態(tài)而存在著,并且不斷地相互轉(zhuǎn)變,物質(zhì)的這種以物理界面為邊界的自然聚集形態(tài)稱為“相”。因此,相的最重要特征為有相必定有物理界面,或者是兩個(gè)相互接觸的相之間必定存在有物理界面。因而,同一相內(nèi),雖然存在有兩個(gè)不同狀態(tài)的系統(tǒng),但這兩個(gè)系統(tǒng)之間不存在有物理界面,因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)都是屬于同一相的。因此從界面化學(xué)角度來看只能稱為單相系統(tǒng),這個(gè)單相系統(tǒng)應(yīng)是非均勻系統(tǒng)。
由此,界面熱力學(xué)討論將會(huì)引申出一個(gè)新的熱力學(xué)問題:經(jīng)典熱力學(xué)認(rèn)為由兩個(gè)以上的相所組成的系統(tǒng)為非均勻系統(tǒng),而從界面化學(xué)角度來看單相系統(tǒng)亦可能是非均勻系統(tǒng)。那么這兩種非均勻系統(tǒng)的熱力學(xué)討論有什么區(qū)別?
顯然,兩相或多相的非均勻系統(tǒng)的熱力學(xué)討論應(yīng)是兩相或多相之間的熱力學(xué)問題的討論,屬于相間熱力學(xué)討論。而單相非均勻系統(tǒng)的熱力學(xué)討論是同一相內(nèi)不同部分的熱力學(xué)問題的討論,屬于相內(nèi)熱力學(xué)討論。相間熱力學(xué)討論與相內(nèi)熱力學(xué)討論的區(qū)別在于相間存在著物理界面,物理界面對(duì)討論的熱力學(xué)問題內(nèi)容應(yīng)該有影響,討論中必須考慮這一影響。而在討論相內(nèi)各部分之間熱力學(xué)間題時(shí)因?yàn)橄鄡?nèi)各部分之間不存在物理界面,均屬同一相,同一相的兩部分之間只存在熱力學(xué)的假想界面,不具備物理界面的種種功能,因而不必考慮這一假想界面的影響。
熱力學(xué)中將狀態(tài)參數(shù)分成兩大類:即廣度性質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)和強(qiáng)度性質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。分別簡稱為廣度參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)。假定把一系統(tǒng)任意分為許多部分(可稱為子系統(tǒng)),如果整個(gè)系統(tǒng)某一個(gè)熱力學(xué)參數(shù)值為各部分的這個(gè)參數(shù)值之和,則這個(gè)熱力學(xué)參數(shù)是廣度參數(shù)。即廣度參數(shù)的特性是可加性。容積V、能量E和質(zhì)量m等均是廣度參數(shù)。界面化學(xué)中表面功,物理界面的面積等均也是廣度參數(shù)。
由此可見,無論討論系統(tǒng)處于什么狀態(tài),廣度參數(shù)均應(yīng)有一定值,并且這一數(shù)值應(yīng)與討論系統(tǒng)內(nèi)所含物質(zhì)的數(shù)量有關(guān)。
凡與系統(tǒng)所含物質(zhì)數(shù)量無關(guān)的狀態(tài)參數(shù)稱為強(qiáng)度參數(shù),如壓力、溫度、密度、表面張力、黏度等。強(qiáng)度性質(zhì)不具有可加性。如果將討論系統(tǒng)分成若干部分,則這些部分中同名的強(qiáng)度參數(shù)都應(yīng)具有相同的數(shù)值。由此看來,在一個(gè)均勻系統(tǒng)內(nèi)部任意一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)或一點(diǎn)上的同一強(qiáng)度參數(shù)值都應(yīng)相同,因此在一個(gè)均勻系統(tǒng)內(nèi)部的平衡應(yīng)是指討論系統(tǒng)內(nèi)所具有的每一種強(qiáng)度參數(shù)在系統(tǒng)任意區(qū)域內(nèi)數(shù)值均相等的平衡。而非均勻系統(tǒng)內(nèi)各處的同名強(qiáng)度參數(shù)不一定都具有相同的值。例如單相系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)部分——界面區(qū)部分和相內(nèi)區(qū)部分,界面區(qū)部分的強(qiáng)度參數(shù),如密度、濃度、壓力等均不同于相內(nèi)區(qū)部分的同名強(qiáng)度參數(shù)數(shù)值;界面區(qū)部分具有的表面張力強(qiáng)度參數(shù)而在相內(nèi)區(qū)部分卻并不存在。由于系統(tǒng)之間通過界面可以傳輸能量和物質(zhì),由兩個(gè)不同的均勻系統(tǒng)組成的一個(gè)非均勻系統(tǒng)內(nèi)的平衡,經(jīng)典熱力學(xué)認(rèn)為是同種類型能量或功之間的平衡。在討論系統(tǒng)內(nèi)不存在有化學(xué)反應(yīng)的情況下,一般認(rèn)為有三種類型能量或功的平衡,即熱量上的平衡、力學(xué)上的平衡和化學(xué)功上的平衡。這在下一篇文章中將予討論。