Tilanfunktio

Tilanfunktio on termodynaamisen systeemin tasapainotilaa kuvaava suure, jonka arvo riippuu ainoastaan systeemin makroskooppisesta tilasta. Esimerkkejä tilanfunktiosta ovat tilavuus, paine, lämpötila, sisäenergia, entropia ja ainemäärä.

Tilanfunktion arvo ei riipu siitä, miten systeemi päätyi nykyiseen tilaansa. Tästä syystä esimerkiksi systeemin tekemä työ tai sen vastaanottama lämpö eivät ole tilanfunktioita, koska niiden arvoja ei voi päätellä ainoastaan systeemin nykytilasta. Tätä ominaisuutta kutsutaan polkuriippuvuudeksi eli tilanfuntiolta vaaditaan polkuriippumattomuutta.

Suureet, joiden arvoa ei voi yksikäsitteisesti määrittää systeemin makrotilasta, eivät ole tilanfunktioita. Esimerkiksi tietyn kaasuhiukkasen sijainti ei ole tilanfunktio.

Termistöä

Tilanfunktiot voidaan jakaa ekstensiivisiin ja intensiivisiin tilanfunktiohin sen mukaan riippuuko niiden arvo systeemin koosta. Energian, tilavuuden ja massan kaltaiset tilanfunktiot ovat ekstensiivisiä eli niiden arvo riippuu systeemin koosta, kun taas lämpötila, paine, tiheys ja energiatiheys ovat intensiivia tilanfunktiota.

Useita tilanfunktiota toisiinsa liittävää yhtälöä kutsutaan tilanyhtälöksi. Esimerkiksi ideaalikaasulaki $pV=nRT$ on tilanyhtälö, koska se liittää toisiinsa neljä tilanfunktiota: paineen $p$, tilavuuden $V$, ainemäärän $n$ ja lämpötilan $T$.

Lista tilanfunktiosta

Seuraavat suureet ovat tilanfunktiota termodynamiikassa:

• Massa
• Energia (E)
  • Entalpia (H)
  • Sisäenergia (U)
  • Gibbsin vapaaenergia (G)
  • Helmholtzin vapaaenergia (F)
• Entropia (S)
• Paine (p)
• Lämpötila (T)
• Tilavuus (V)
• Kemiallinen koostumus
• Ainemäärä

Teoriassa on mahdollista määritellä ääretön määrä tilanfunktioita yhdistelemällä toisia tilanfunktioita. Esimerkiksi Helmholtzin vapaaenergia $F$ määritellään kaavalla $F=U-TS,\,$ mutta myös suure $U-2TS$ on tilanfunktio, vaikkakaan ei fysikaalisesti yhtä hyödyllinen.