焓到底是什么.pdf

By 陈亚玲老师 焓到底是什么 高中初见化学热力学的第一个门槛就是焓 H 对于没有任何热学基础的学生来说 焓抽 象而神秘 在上课做题中反复出现 反复使用 可是很多学生学了三年 考上大学 甚至大 学毕业了还没很疑惑 焓到底是什么呢 先看看高中教材是怎么说的 人教版 选修 4 P2 焓 H 是与内能有关的物理量 在一定条件下 某一化学反应是吸热反应还是放热 反应 由生成物与反应物的焓值差即焓变 H 决定 看门见山 先把焓与学生熟悉的内能挂钩 马上笔锋一转 避开焓本身 只谈焓变 而 且马上同吸热放热联系起来 鲁科版觉得这样不过瘾 反应原理 选修 P5 正如质量是物质所具有的固有性质一样 物质所具有的能量也是物质固有的性质 可 以用一个物理量来描述 科学家们定义了一个称为 焓 的物理量 符号为H 用它的变化 来描述化学反应的反应热 说了半天也没说明白 就给读者留下点模糊的印象 焓与物质能量有关系 的确 焓是描述物质能量的物理量 此处的能量不包括物质整体整体的动能和势能 特指系 统内在的能量 与之非常相似的是内能 U 指分子间的动能与势能的总和 动能这一部分指 的就是无规则的热运动 温度越高 热运动越剧烈 所以这部分动能是与温度直接相关的 势能这一部分若狭义地讲 则只包含分子间作用力所对应的能量 若广义地讲 则还包含原 子间作用力 即化学键中所包含的能量 也就是所谓的 化学能 焓 H 与内能 U 有明确的 数学关系 H U P 先看一个假想实验 用一个体积为 V 的绝热绝热的玻璃罩罩住了部分空气 把这部分空气作为一个系统系统来研究 玻璃罩以外的就是环境环境 环境压强保持不变 恒等于 P 显然罩内空气的压强也是 P By 陈亚玲老师 A 罩内的气体分子不停地做着无规则运动 具有动能 气体分子间有作用力 具有势 能 这两部分和在一起是系统的内能 U B 对 A 情景做一些改动 假设玻璃罩内是真空 没有温度 没有能量 真正是什么都没有什么都没有 但 有一只神奇的手 能创造创造 不是搬运 一个个气体分子 把它们放进罩内 让它们重新有了动能和 势能 重现和 A 一模一样的系统状态 这时这只手消耗的能量就等于这部分空气具有的内能 U C 再对 B 情景做一些改动 现在没有玻璃罩 那么也没有玻璃罩隔离出来的真空的空 间 还是那只神奇的手 能创造气体分子一个个放到原来的位置 每放一个 体积就增大一 P P A 用玻璃罩罩住部分空气 B 真空玻璃罩 P B 真空玻璃罩 B 向真空玻璃罩一个个放入分子 B 真空玻璃罩 B 创造分子 一个个放入罩内 B 重现 A 系统 C 重现 A 系统 C 创造分子 一个个放在原位 C 没有玻璃罩占据位置 A 用玻璃罩罩住部分空气 By 陈亚玲老师 点 就要克服环境的压强 P 做功 如此重现和 A 一模一样的系统状态 这只手消耗的能量 比情景 B 多了一部分 为系统创造空间空间 而克服外界压强所做的功P V 这只手消耗的总能 量就等于 A 系统的焓 H 现在我们知道了 焓可以理解为两部分能量之和 创造系统本身本身所需的能量即 U 在恒 压的环境中为系统创造空间空间位置位置所消耗的能量P V 以上只是个假想实验 在现实中是不能实现的 不存在没有温度的真空 也不存在什么 神奇的手 那物理学家们是不是吃饱了撑着 在 U 之外凭空捏造一个 H 的东西 这要从热力学第一定律也就是能量守恒定律谈起 能量传递分为两类 热量 Q 和功 W 任何系统的能量变化都源自热量的吸收 释放 与环境对系统 系统对环境 做功 用数学 的语言是这样描述的 U Q W 焦耳通过实验测定 一般物质温度升高 T 与吸收热量Q呈正比 于是将 Q T 称为物 体在此过程中的热容量 简称热容 用 C 表示 C Q T 对于气体来说 恒容条件和恒压 条件下的热容量是不同的 恒容条件下系统与外界只有热量交换 而不做功 易于处理 但 恒容条件一般不易实现 现实生活中遇到的多是恒压条件 两者均很重要 因此不妨定义两 种热容 于是就在 C 下加个下标予以区分 就有了 和 对于气体 在恒容条件下 W 0 因为体积不变 又没有其他形式的做功 吸收的热 量 Q 将全部用于增加内能 所以 U Q 其中Q T 所以 U T 这时候内能 U 才名正言顺的来到人间 是什么呢 在恒压P条件下 气体吸收热量 Q 温度升高 压强变大 必然体积膨胀 设为 V 对外做功P V 根据热力学第一定律有 U Q P V 其中Q T 和恒压热容 对应了起来 那么不妨对上式做一下变形 U2 U1 Q P 2 1 By 陈亚玲老师 整理后得 U2 P 2 U1 P 1 Q T 看出来了吗 如果我们把括号里的部分看做一个新的物理量焓 H H U P 那么它的数学形式跟 U T是如此的相似 于是有 H2 H1 H T 由上面的推导你应该明白了 H 的出现是迎合研究恒压条件能量变化的需求 是为了与 相对应 H 与 U 的关系完全是数学推导的结果 他本身没有较为直观的物理意义 之前 的假想实验只是为了满足读者的求知欲而 YY 出来的一种合理的解释 谈论绝对的 H 和 U 没有意义 正如并没有绝对的 重力势能 一样 能量的零点都是人为定义的 人们并不关 注能量的绝对数值 而是关心在功 能转化的过程中的能量相对变化量 这种观念对于内能 与焓也同样适用 那么对于 U 和 H 我们就可以通过测定 和 来间接得到始末态的变化 值 物理学家给出了 U 的物理意义 所以更偏好 U 喜欢用 U讨论热学问题 偶尔玩弄一 下