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焓是一个热力学系统中的能量参数。规定由字母H(单位:焦耳,J)表示,H来自于英语 Heat Capacity(热容)一词。此外在化学和技术文献中,摩尔焓 Hm(单位:千焦/摩尔KJ/mol)和比焓 h(单位:千焦/千克 kJ/kg)也非常重要,它们描述了焓在物质的量 n 和物质质量 m 上的定义。焓是内能和体积的勒让德变换。它是SpN总合的热势能。

科学名词

详细内容

英语为:enthalpy
在介绍焓之前我们需要了解一下分子热运动、热力学能和热力学第一定律:
1827年,英国植物学家布朗把非常细小的花粉放在水面上并用显微镜观察,发现花粉在水面上不停地运动,且运动轨迹极不规则。起初人们以为是外界影响,如振动或液体对流等,后经实验证明这种运动的原因不在外界,而在液体内部。原来花粉在水面运动是受到各个方向水分子的撞击引起的。而随着周围水温不断升高,花粉的这种不规则运动会不断加剧。正因为分子的无规则运动与温度有关系,所以通常把分子的这种运动叫做分子的热运动
在热力学中,分子、原子、离子做热运动时遵从相同的规律,所以统称为分子。
既然组成物体的分子不停地做无规则运动,那么,像一切运动着的物体一样,做热运动的分子也具有动能分子动能与温度有关,温度越高,分子的平均动能就越大,反之越小。所以从分子动理论的角度看,温度是物体分子热运动的平均动能的标志(即微观含义,宏观:表示物体的冷热程度)。
分子间存在相互作用力,即化学上所说的分子间作用力(范德华力)。分子间作用力是分子引力与分子斥力的合力,存在一距离r0使引力等于斥力,在这个位置上分子间作用力为零。分子势能与弹簧弹性势能的变化相似。物体的体积发生变化时,分子间距也发生变化,所以分子势能同物体的体积有关系。

原理

物体中所有分子做热运动动能和分子势能和分子、原子内部所具有的能量等的总和叫做物体的热力学能,也叫做内能。热力学能与动能、势能一样,是物体的一个状态量
初中我们学过,改变物体内能的方式有两个:做功和热传递。
一个物体,如果它跟外界不发生热交换,也就是它既没有吸收热量也没有放出热量,则外界对其做功等于其热力学能的增量:
ΔU1=W
如果物体对外界做功,则W为负值,热力学能增加量ΔU1也为负值,表示热力学能减少。
如果外界既没有对物体做功,物体也没有对外界做功,那么物体吸收的热量等于其热力学能的增量:
ΔU2=Q
如果物体放热,则Q为负值,热力学能增加量ΔU2也为负值,表示热力学能减少。
一般情况下,如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程,那么物体热力学能的增量等于外界对物体做功加上物体从外界吸收的热量,即:
ΔU=ΔU1+ΔU2=Q+W
因为热力学能U是状态量,所以:
ΔU=ΔU末态-ΔU初态=Q+W
上式即热力学第一定律的表达式。
化学反应都是在一定条件下进行的,其中以恒容与恒压最为普遍和重要。
在密闭容器内的化学反应就是恒容过程。因为系统体积不变,但是气体只能做体积功(即通过改变物体体积来对物体做功,使物体内能改变,如在针管中放置火柴头,堵住针头并压缩活塞,火柴头会燃烧)(这里很多人质疑为什么体积不变还做体积功,我解释一下,做功的形式有很多种,有的功不通过体积改变的形式来实现,比如电流做功,但是气体只能做体积功,因为是恒容过程,所以体积功为零,并不是说只做体积功就是说这个过程做功了,只是为了说明W=0)所以W=0,代入热一定律表达式得:
ΔU=Q
它表明恒容过程的热等于系统热力学能的变化,也就是说,只要确定了过程是恒容的和只做体积功的特点,Q就只决定于系统的初末状态。
在敞口容器中进行的化学反应就是恒压过程。所谓恒压是指系统的压强p 等于环境压强 “p外” ,并保持恒定不变,即p=p外=常数。由于过程恒压且只做体积功,所以:
W=W体积功=-p外(V2-V1)=-(p2V2-p1V1)
其中W为外界对系统做的功,所以系统对外做功为负。压强乘以体积的改变量是系统对外做的功,可以按照p=F/S,V=Sh,∴Fh=pV来理解。
将其代入热一定律表达式得:
Q=ΔU-W=U2-U1+(p2V2-p1V1)=(U2+p2V2)-(U1+p1V1)
因为U+pV是状态函数(即状态量)的组合(即一个状态只有一个热力学能U,外界压强p和体积V),所以将它定义为一个新的状态函数——焓,并用符号H表示,所以上式可变为:
Q=H2-H1=ΔH
它表明恒压过程中的热等于系统焓的变化,也就是说,只要确定了过程恒压且只做体积功的特点,Q就只决定于系统的初末状态。H=U+pV
焓变Q P=H 2-H 1=△H焓具有能量的纲,但没有明确的物理意义.
焓的物理意义可以理解为恒压且只做体积功的特殊条件下,Q=ΔH,即反应的热量变化。因为只有在此条件下,焓才表现出它的特性。例如恒压下对物质加热,则物质吸热后温度升高,ΔH>0,所以物质在高温时的焓大于它在低温时的焓。又如对于恒压下的放热化学反应,ΔH<0,所以生成物的焓小于反应物的焓。
在化学反应中,因为H是状态函数,所以只有当产物和反应物的状态确定后,ΔH才有定值。热力学标准状态也称热化学标准状态,具体规定为:
气体——在pθ(100kPa,上标θ指标准状态)压力下处于理想气体(我们周围的气体可以近似看作理想气体)状态的气态纯物质。
液体和固体——在pθ压力下的液态和固态纯物质。
对于一个任意的化学反应:
eE+fF——→gG+rR
其中e、f、g、r为化学计量系数。若各物质的温度相同,且均处于热化学标准状态,则g mol G和r mol R的焓与e mol E和f mol F的焓之差,即为该反应在该温度下的标准摩尔反应焓或标准摩尔反应热,符号为ΔrH(T),其中下标“r”指反应,“T”指反应时的热力学温度,“m”指ξ=1mol,ΔrH的单位为kJ·mol-1。
ξ读作“可赛”,为反应进度,对于反应eE+fF——→gG+rR,可以写成:
0=gG+rR-eE-fF=∑vBB
B
式中,B代表反应物或产物,vB为相应的化学计量系数,对反应物取负值,对产物取正值。根据相关计量标准,对于化学反应0=∑vBB,若任一物质B物质的量,初始状态时为nB0,某一程度时为nB,则反应进度ξ的定义为:
B
ξ=(nB-nB0)/vB=ΔnB/vB
由此可以概括出如下几点:
对于指定的化学计量方程式,vB为定值,ξ随B物质的量的变化而变化,所以可用ξ度量反应进行的深度。
由于vB的量纲为1,ΔnB的单位为mol,所以ξ的单位也为mol。
对于反应eE+fF——→gG+rR,可以写出:
ξ=ΔnE/vE=ΔnF/vF=ΔnG/vG=ΔnR/vR
对于指定的化学计量方程式,当ΔnB的数值等于vB时,则ξ=1mol。
多数对焓熵的计算都是基于查表利用插值法得到的近似值,可用的软件也很多,但当前网络上比较流行的“Easyquery焓熵表1.0”在计算饱和区域附近的焓熵值时会出现很大的误差,甚至在饱和区域附近的过热蒸汽焓值比饱和蒸汽的焓值还要低,所以要慎用。

定义式

焓的定义式为:H=U+PV
即一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和,但要注意这里压力与体积的乘积PV不是体积功。
系统的状态一定,则系统的U,P,V均确定,系统的H也就确定,故焓H是状态函数,其单位为J。因为一定状态下系统的热力学能不知道,所以状态下的焓也不知道。U是广度量,PV是广度量,由:H=U+PV可知焓是广度量,但摩尔焓Hm=H/n和质量焓(比焓)h=H/m均是强度量,两者的单位分别为J .mol-1和J .kg-1 。
对于常压下,焓的定义式子又可以写成:Q=ΔU+pΔV
所以常压下焓的变化量就是热量的变化。

汉字

基本信息

汉字:焓
拼音:hán
注音:ㄏㄢˊ
[粤语]:ham4
字形结构
部首:火
部首笔画:4
总笔画:11
首尾分解查字:火含(huohan)
汉字部件构造:火今口
编码信息
五笔86:OWYK
五笔98:OWYK
仓颉:FOIR
四角号码:98862
UniCode:U+7113
规范汉字编号:4958
笔顺编号:43343445251
笔顺读写:捺撇撇捺撇捺捺折竖折横

解释

基本解释
hán
物理学上指单位质量的物质所含的全部热能。亦称“热函”。
新华字典解释
hán
【名】
物理学名词,表征物体吸收的热量(在等压过程中)〖enthalpy〗为一个体系的内能与体系的体积的变化量和外界施加于体系的压强的乘积之和
汉语大字典解释
[①][hán]
物理学名词。单位质量的物质所含的全部热能。是热学中表示物质系统能量状态的一个函数
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