平衡態(tài)熱力學(xué)理論是研究各種熱力學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)。
熱物理學(xué)研究由大量做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的微觀粒子組成的宏觀系統(tǒng)，稱之為熱力學(xué)系統(tǒng)。一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)具有兩種可能的、性質(zhì)截然不同的狀態(tài)：平衡態(tài)和非平衡態(tài)。平衡態(tài)是沒(méi)有宏觀運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)后，它的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變。當(dāng)然，即使一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于平衡態(tài)，但是，從微觀的層面上看，組成系統(tǒng)的微觀粒子也在作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。由此看來(lái)，熱力學(xué)上的平衡其實(shí)是一種動(dòng)態(tài)的平衡，因此，也被稱為熱動(dòng)平衡。描寫系統(tǒng)中微觀粒子運(yùn)動(dòng)的各種物理量被稱為微觀量，比如說(shuō)每一個(gè)粒子的質(zhì)量、位置、速度以及動(dòng)量和能量等反映單個(gè)粒子的性質(zhì)的物理量；描寫系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)的各種物理量被稱為宏觀量，比如說(shuō)系統(tǒng)的溫度、壓強(qiáng)和體積等反映系統(tǒng)的整體性質(zhì)的物理量。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本思想是：當(dāng)系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，它的宏觀量是相應(yīng)的微觀量的統(tǒng)計(jì)平均。不過(guò)，由于統(tǒng)計(jì)平均的特點(diǎn)，有可能出現(xiàn)宏觀量偏離平衡值的現(xiàn)象，稱之為漲落。
在一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中，足以確定一個(gè)平衡態(tài)的性質(zhì)的一組宏觀量被稱為狀態(tài)參量，簡(jiǎn)稱態(tài)參量。一切宏觀量都可以表示成態(tài)參量的函數(shù)，稱為態(tài)函數(shù)。在熱物理學(xué)中，常用的態(tài)參量分為四大類：幾何參量、力學(xué)參量、化學(xué)參量和電磁參量。如果所研究的問(wèn)題并不涉及系統(tǒng)的化學(xué)成份的變化和電磁性質(zhì)，那么，只需要用體積和壓強(qiáng)這兩個(gè)參量就可以確定系統(tǒng)的平衡態(tài)，我們把這樣的系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)單系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的各個(gè)部分的宏觀性質(zhì)完全一樣，就稱該系統(tǒng)為均勻系或者單相系；如果系統(tǒng)由幾個(gè)均勻的部分組成，就稱該系統(tǒng)為復(fù)相系，每一個(gè)相用一套態(tài)參量來(lái)描寫，各個(gè)相的態(tài)參量滿足一定的平衡條件。由于平衡態(tài)所對(duì)應(yīng)的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間改變，因此，我們可以用態(tài)參量空間中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示一個(gè)單相系。所謂態(tài)參量空間指的是以態(tài)參量作為坐標(biāo)軸建立起來(lái)的直角坐標(biāo)系所對(duì)應(yīng)的抽象空間。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)，態(tài)參量空間實(shí)際上就是用系統(tǒng)的體積做橫坐標(biāo)、壓強(qiáng)做縱坐標(biāo)建立起來(lái)的平面直角坐標(biāo)系所對(duì)應(yīng)的二維抽象空間。由于態(tài)參量空間上的點(diǎn)完全描寫了系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，因此，通常把這樣畫出來(lái)的圖稱為狀態(tài)圖。對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，狀態(tài)圖也常被稱為 p-V 圖。如果對(duì)處于平衡態(tài)的系統(tǒng)施加某種干擾，這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)處于一種非平衡態(tài)。不過(guò)，一旦干擾撤除，在經(jīng)歷了一段時(shí)間之后，系統(tǒng)必定會(huì)達(dá)到新的平衡態(tài)。熱力學(xué)系統(tǒng)由初態(tài)到達(dá)平衡態(tài)的過(guò)程被稱為馳豫過(guò)程，它不是一蹴而就的，而是需要一段時(shí)間，稱之為馳豫時(shí)間。在馳豫過(guò)程中，系統(tǒng)處于一系列的非平衡態(tài)。熱力學(xué)除了研究平衡態(tài)之外，還研究系統(tǒng)在不同的平衡態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。如果系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了改變，就說(shuō)它經(jīng)歷了一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程。在熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行中，系統(tǒng)將經(jīng)歷一系列非平衡態(tài)，因此，熱力學(xué)系統(tǒng)的變化過(guò)程是一個(gè)非靜態(tài)過(guò)程。原則上說(shuō)，非平衡態(tài)不能簡(jiǎn)單地用態(tài)參量和態(tài)函數(shù)來(lái)描寫。這樣，我們就無(wú)法用狀態(tài)圖來(lái)表示系統(tǒng)的變化，也無(wú)法用平衡態(tài)的熱力學(xué)理論來(lái)研究熱力學(xué)過(guò)程。為了能夠應(yīng)用平衡態(tài)熱力學(xué)理論討論熱力學(xué)過(guò)程，需要引入一種理想的極限過(guò)程：準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。在這種過(guò)程進(jìn)行的每個(gè)時(shí)刻，系統(tǒng)都處于某個(gè)平衡態(tài)，這樣，系統(tǒng)的態(tài)參量就具有確定的值，于是，可以用獨(dú)立的態(tài)參量的變化來(lái)表示一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，可以用p-V 圖上的點(diǎn)來(lái)表示系統(tǒng)在任意時(shí)刻的狀態(tài)，用這些點(diǎn)所連成的一條曲線來(lái)表示系統(tǒng)所經(jīng)歷的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。以上我們對(duì)熱物理學(xué)的一些基本概念和研究方法做了一個(gè)簡(jiǎn)單的、概要性的說(shuō)明，在目前的知識(shí)水平下，上述概括性的敘述可能不容易理解。隨著課程的展開，我們將在普通物理的《熱學(xué)》課程中，以及在理論物理的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)課程中，對(duì)上述概括性的敘述做詳細(xì)的討論。
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