Термодинамика — точная наука, и в ней велика роль языка математики. Однако почти все трудности, с которыми встречается студент в термодинамике, возникают не из математических преобразований — они просты, а из недостаточного внимания к терминологии, выбору переменных и описываемой ими системы. Поэтому целесообразно с самого начала определить основные понятия.

Всякий объект термодинамического изучения называется системой. Этим термином обозначают реально или мысленно отделенную от всего окружающего (от внешней среды) группу тел или отдельное тело. Выбор системы не связан с какими-либо условиями, но в каждом конкретном случае он должен быть правильным, а определение границ системы — точным.

Часть системы с присущим ей химическим составом и макроскопическими свойствами называется фазой. Фазы отделяются друг от друга физическими поверхностями, при переходе через которые свойства резко меняются. Если система состоит из одной фазы, то она называется гомогенной. Многофазная система является гетерогенной. Вещества, входящие в состав фаз, называются компонентами, или составными частями системы.

Система может по-разному взаимодействовать с внешней средой. Закрытая система отличается постоянством общей массы, т. е. она не обменивается с внешней средой веществом. Обмен же энергией в форме теплоты, излучения, работы возможен. Если система обменивается и энергией, и массой, то она называется открытой.

Некоторые системы можно поместить (реально или мысленно) в условия, которые исключают всякий энергетический обмен с внешней средой. Это — изолированные системы. Внутри системы могут происходить передача теплоты от более нагретой части к менее нагретой, взаимные превращения энергии, выравнивание концентраций. Но между изменениями температуры или давления в системе и вне ее нет никакой связи, так что, например, внешняя среда не может произвести работу над системой. Таким образом, изолированная система отличается от закрытой или открытой постоянством внутренней энергии. Разновидностью изолированной системы является адиабатически изолированная система, которая лишена только возможности теплообмена с внешней средой.

В каждый момент времени состояние системы характеризуется параметрами состояния — физическими свойствами, которые не зависят от предшествующей истории системы. Параметры состояния разделяются на экстенсивные (емкостные), количественно пропорциональные размеру, массе системы (объем, масса, теплоемкость, внутренняя энергия, энтропия и др.) и интенсивные, которые не зависят от массы, а определяются лишь специфической природой системы (давление, температура, химический потенциал и др.). Однако экстенсивное свойство станет интенсивным, если его отнести к единице количества вещества. Так, масса, объем экстенсивны, но плотность, удельный объем — интенсивные свойства вещества или системы. Экстенсивные и интенсивные параметры вместе определяют состояние системы, поскольку они связаны друг с другом. Зависимость объема газа от температуры и давления — простой пример, поясняющий эту связь. Важно то, что произведение интенсивного параметра на изменение экстенсивного параметра dl выражает работу dA на пути действия параметра (при условии отсутствия теплоты).

Термодинамическими параметрами состояния называются те, которые измеряются непосредственно и выражают интенсивные свойства системы. Из них наибольшее значение имеют давление, температура и мольный объем, так как эти параметры могут быть связаны друг с другом уравнением состояния. Совокупность термодинамических параметров определяет термодинамическое состояние системы. Если термодинамические параметры со временем самопроизвольно не изменяются и сохраняют одинаковое значение в пределах каждой фазы, а энергия системы минимальна, то состояние системы называется равновесным. Состояние с неравномерным и изменяющимся во времени распределением температуры, давления и состава внутри фаз является неравновесным.

Изменение хотя бы одного из параметров изменяет состояние системы, возникает термодинамический процесс. В случае изменения термодинамических параметров вследствие химического превращения процесс обычно называется реакцией. Процесс называется круговым (или циклом), когда система после некоторых превращений возвращается в исходное состояние. Круговые процессы интересны тем, что они «оторваны» от превращений, поскольку начальное и конечное состояние системы совпадают.