海水热力学基本关系

海水热力学特征量之间的相互关系。它是研究海水平衡热力学的基础。若把质量为 m的海水看作平衡的热力学系统，则此系统的热力学关系可通过一些基本的热力学函数（态函数）和热力学参数加以描述。

海水热力学基本关系热力学函数 包括内能、熵、焓、自由能和化学势等。
系统内部所具有的总能量，称为该系统的内能 (U)。在非绝热过程中，外界对系统作功(W),或者系统从外界吸收热量(Q),都会使系统的内能增加。内能的增量△U服从
△U=W+Q
在准静态过程（过程的变化速度趋于0）中，压力(p)对可压缩流体所作的功与流体体积 (V)的改变量(dV)的关系为：W=-pdV。于是上式可改写为微分形式
dU=dQ-pdV
以上各式描述了系统能量的转化和守恒的定律，即热力学第一定律。
在一个任意可逆循环过程中,系统内的热量改变(dQ)与其热力学温度(T)的关系为引入一个态函数η，即 其中η称为熵;η0为熵的初值。在绝热过程中,系统内的热量不变,dQ=0，则η=η0。它表示在一个可逆循环过程中，系统的熵不变。这是熵的一个重要特性。但是在海水中，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。将上式写成微分的形式 所以Tdη=dU+pdV这就是热力学第二定律的微分方程式。
在研究热力学问题时,还引进一些与U，η，p，V，T相互有关的热力学函数，这些函数定义为
H=U+pV
F=U-Tη
G=U+pV-Tη
H、F和G分别称为焓、亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能。
热力学问题通常是以研究单位质量的系统为对象的，为此引进一些比值，例如比内能、比熵等，于是，上述表达式分别改写为 其中ρ为海水的密度。比内能、比熵、比焓、比亥姆霍兹自由能和比吉布斯自由能等，都是热力学的基本函数。
海水是含有多种物质的水溶液。由于海水的盐分组成几乎为常数，可以把海水看作是比例一定的两种成分──纯水和盐分的混合物，故称海水为双组分的热力学平衡系统,并可近似地用盐度S代替含盐量。在双组分系统中，其内能的改变也和系统内的化学组成的变化有关。对于单位质量的双组分系统，这种关系的微分形式为 式中μ是描述系统化学特征的系数，是盐分和纯水在海水中的化学势之差，简称化学势。上式称为海水热力学的基本方程。相应的热力学关系式为 许多热力学问题都是根据基本方程和这些关系式展开的。
海水热力学参数 定义列于表中（pa为海面大气压力）。 这些热力学参数除声速外都反映了海水热性质，并可根据实验资料估算出来。因为在海洋里测量温度、压力和盐度比较容易，所以选择它们作为独立变量。
声波在海水中传播的速度和海水的压缩率有关。由于水中压缩与稀疏的频率很大，热量来不及通过热传导和辐射耗散出去，所以声波在海水中的传播过程是绝热过程(见海洋声学)。由于声速可以准确地直接测量，因此常以声速的量来检验一些其他的热力学参数计算值的准确性。
根据热力学基本方程和热力学参数的定义，可以导出下列关系式 式中J=4.186×107尔格/卡,为热功当量。这些关系式反映了海水热力学特征量之间的相互关系。

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刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所