定温过程

热力学术语

定温过程又称等温过程。定温过程是热力学过程的一种，即是指热力学系统在恒定温度下发生的各种物理或化学过程。在整个定温过程中，热量的传递使系统与其外界处于热平衡状态。定温过程是热力学术语，是指热力学系统始末态温度相等，且等于环境的温度，在整个过程中环境的温度不变的热力学过程。

定义

关于定温过程的定义，存在着不同的说法。主要有以下3 种：

说法1、系统的始态温度T1等于终态温度T2等于环境的恒定温度T环( 恒定) 的过程为定温过程，即：

T1 = T2 = T环(恒定) 或T1 = T2 = T环= 定值

上式中的“定值”不宜写为“常数”，因为T 不是量纲指数为0 的纯数。

说法2、系统与环境的温度相等并恒定不变的过程为定温过程，定义式为：

T = T环= 定值

上式中的T 是所谓“过程中系统的温度”。

说法3、其他说法。该说法是通过种种努力将说法1 与说法2“统一”起来的说法，统称为其他说法。由于说法1 与说法2 有差别，所以这些努力为定温过程定义这个概念平添了一些混乱。

比较说法1与说法2知，这两种说法都认为定温过程是环境温度恒定的过程，这是它们的共同点。由于过程中系统的温度T 恒定，自然满足T1 = T2，故说法1 包括了说法2。但是，满足T1 = T2可能有两种情况：一是过程中系统的温度不恒定；一是恒定。即说法2 是说法1 的两种可能情况之一，这是它们的差别。由于这个差别，它们描述的过程不完全相同。

相关规律

温度是热力状态学函数，状态函数的变化值只取决于系统的始态和终态，与中间变化过程无关。

波义耳定律

玻义耳定律（Boyle's law，有时又称 Mariotte's Law或波马定律，由玻意耳和马里奥特在互不知情的情况下，间隔不久，先后发现）：在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比。

是由英国化学家波义耳（Boyle），在1662年根据实验结果提出：“在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。”称之为玻意耳定律。这是人类历史上第一个被发现的“定律”。

卡诺循环

卡诺循环包括四个步骤：

等温吸热，在这个过程中系统从高温热源中吸收热量；

绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功，温度降低；

等温放热，在这个过程中系统向环境中放出热量，体积压缩；

绝热压缩，系统恢复原来状态，在等温压缩和绝热压缩过程中系统对环境作负功。

卡诺循环可以想象为是工作于两个恒温热源之间的准静态过程，其高温热源的温度为T1，低温热源的温度为T2。这一概念是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气、摩擦等损耗。为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是定温压缩过程。因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程。作卡诺循环的热机叫做卡诺热机。

热力学势

在热力学函数中，U(内能)、H(焓)、G(吉布斯函数)、F(自由能)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；吉布斯自由能G = U + PV − TS（其中，T =温度， S =熵， P =压强， V =体积）

分别选取T，S，P，V中的两个为自变量，它们的微分表达式为：

dU = TdS - PdV；dF =-SdT - PdV；dH = TdS + VdP；dG = -SdT + VdP

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

定温过程与恒温过程辨析

定温过程与恒温过程常易混淆，一般地它们有如下辨析。

定温过程：系统始末态温度相等，且等于环境的温度，在整个过程中环境的温度不变。

恒温过程：系统在整个过程中温度不变，且一直等于环境的温度。

定温膨胀的物理意义为当内外的压力只差无限小，系统内的气体缓慢做功，且无摩擦等消耗，即系统和环境能完全恢复原状，这说明变化过程每一瞬间，系统内部都能通过外部的恒温热源进行热交换，来维持系统的温度时刻与环境的温度相等，这就是所谓的可逆过程。但是，这种可逆过程只是一种理想的过程，实际上是办不到的。因为一个过程必定引起状态的变化，而状态的改变一定破坏平衡，也就是不能使系统的温度时刻与环境的温度相等，即存在温度的波动性。即使定温过程不是恒温过程，但当一个过程进行得非常非常慢，这样就有足够的时间使气体的压力由微小的不均匀变为均匀，同时使系统能瞬间与外部恒温热源进行热交换而保持温度不变时，此时，定温过程与恒温过程相同，或者说恒温过程就是定温可逆过程。注意定温过程和绝热过程的区别，即定温过程是过程中温度保持不变，可能有吸热或放热，绝热过程是过程中没有吸放热，但温度可能变化，所以系统温度的改变并不标志系统有无热的得失，有热量得失的过程可以是恒温过程，也可以是非恒温过程。

故定温过程的准确定义应该为：定温过程是指环境温度恒定不变，系统的始态和终态温度相同并等于环境温度的过程，而且变化过程中系统温度可以有波动，温度波动的大小对于系统过程要视具体问题而言。对于研究不是状态函数的物理量的时候，应考虑过程温度的变化；对于研究状态函数的时候，可以不考虑过程温度的变化，即温度的波动影响可以忽略不计，而只需要保持系统的始态和终态温度相同并等于环境温度。

例证

定温过程例如，与恒温箱接触的一个气筒，可用一活塞对它缓慢地压缩，所做的功表现为流进容器内使气体的温度保持不变的能量。蓄电池在室温下缓慢充电和放电，都是近似的等温过程。又如，在101.325kpa，273.15K下冰的熔化成水是定温，恒压的可逆相变过程。对一定质量理想气体定温可逆过程的特征是气体压强P和体积V的乘积不变，PV=恒量。理想气体的内能仅仅是温度的函数，所以等温过程中内能的变化为零。由热力学第一定律得出，理想气体在等温过程中能量转换的特点是Q=A，即系统吸收的热量等于系统对外界所做的功。

定温过程是热力学中一种重要过程。卡诺循环就是由两个定温过程和两个绝热过程组成的。物质三态的可逆转变也是在定温条件下进行的。

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