溶液熱力學建立在混合的 Gibbs 自由能分析之上：ΔG_mix = ΔH_mix − TΔS_mix < 0 為自發溶解的條件。偏離理想行為的處理是物理化學的核心主題。
理想溶液與 Raoult 定律
理想溶液假設所有分子間作用力相同（ΔH_mix = 0）。混合熵 ΔS_mix = −R Σ nᵢ ln χᵢ > 0 恆為正，故理想混合總是自發的。Raoult 定律：Pᵢ = χᵢPᵢ*（成分 i 的蒸氣分壓等於其莫耳分率乘以純液體蒸氣壓）。正偏差（ΔH_mix > 0，如乙醇-正己烷，分子間氫鍵被破壞）意味溶質-溶劑作用弱於純組分間作用，蒸氣壓高於 Raoult 預測；極端正偏差產生最低共沸物（如乙醇-水 95.6%）。負偏差（ΔH_mix < 0，如丙酮-氯仿，形成 C=O···H-CCl₃ 氫鍵）意味有額外的溶質-溶劑交互作用。Gibbs-Duhem 方程 Σ xᵢ dμᵢ = 0 限制了各組分活度係數的相依性，是一致性檢驗的基礎。
活度與活度係數模型
非理想溶液中引入活度 aᵢ = γᵢχᵢ 修正。工程上常用的 γ-χ 關聯模型包括 Margules（對稱偏差）、van Laar、Wilson（考慮分子大小差異）、NRTL（含非隨機因子 α₁₂）和 UNIQUAC（含面積/體積參數）。UNIFAC 方法將活度係數預測建立在官能基加和模型上，無需實驗數據即可估算未知體系的相行為。Debye-Hückel 理論處理稀電解質溶液中離子的活度係數：log γ± = −A|Z₊Z₋|√I（I = ½Σcᵢzᵢ² 為離子強度），適用於 I < 0.01 mol/kg。擴展 Debye-Hückel（含離子大小參數 å）適用至 I ~ 0.1，Pitzer 模型（含離子對交互作用參數 β₀, β₁, C^φ）可處理至飽和濃度。
Henry 定律與氣體溶解度
稀溶液中的揮發性溶質遵循 Henry 定律 Pᵢ = KH,ᵢ χᵢ。van't Hoff 方程 d(ln KH)/d(1/T) = −ΔH_sol/R 描述溫度依賴。溶解焓為負的氣體（如 O₂ 在水中，ΔH_sol ≈ −12 kJ/mol）隨溫度升高而溶解度降低，這解釋了溫排水對水中溶氧的危害以及熱帶海洋的缺氧層。對於 CO₂ 溶於水，化學反應（CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻）使有效溶解度大於單純物理溶解，海洋吸碳能力取決於此化學平衡。
溶解度的計算預測
現代計算方法如自由能微擾（FEP）和熱力學積分（TI）以分子模擬預測溶解自由能，精度可達 ~4 kJ/mol。COSMO-RS（Klamt, 1995）以量子化學計算的分子表面 σ-profile 預測溶解度和活度係數，工業上廣泛用於溶劑篩選和藥物溶解度預測（準確度 ~0.5 log 單位）。Hansen 溶解度參數將 Hildebrand 參數 δ 細分為分散力（δ_d）、極性（δ_p）和氫鍵（δ_h）三個分量，更精確地預測高分子-溶劑相容性——在塗料、製藥和 3D 列印材料選擇中有重要應用。
過飽和與成核理論
溶液超過溶解度後形成過飽和態，結晶需克服成核能障。Classical Nucleation Theory（CNT）預測臨界核半徑 r* = 2γV_m/(RT ln S)，其中 S = c/c_eq 為過飽和度。二步成核理論（Vekilov, 2010）認為蛋白質結晶先經過稠密液態前驅體再有序化，解釋了蛋白質結晶條件的高度敏感性。
文獻參考：Prausnitz, J.M. et al. (2012). Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria, 3rd ed. Prentice Hall. / Klamt, A. (2005). COSMO-RS: From Quantum Chemistry to Fluid Phase Thermodynamics. Elsevier. / Atkins, P. & de Paula, J. (2022). Physical Chemistry, 12th ed. OUP.