焓的本质

一，焓与焓变。

焓在中学化学中出现，是许多学生的一道门槛。中学化学反应中，热化学反应前后物质的能量有所不同。为了描述热化学反应前后物质能量的变化，科学家们提出来一个物理量“焓”，用符号H表示。规定在等压条件下的化学反应，如果反应中物质的能量全部转化成热能，那么反应前后物质焓的变化就等于反应热，即ΔH=Qр，其中Qр为等压条件下的反应热。所以化学反应的焓变ΔH=H(生成物)—H(反应物)，若ΔH＞0为吸热反应，反之为放热反应。

这样一些学生对焓和焓变还不能很好的理解。如果单单是为了学生的理解，焓就应该简单地理解为热化学反应中各物质具有的能量(这里化学反应中的各种物质，都没有宏观上的位移速度)。而焓变就是化学反应中物质能量的变化，即ΔH=H(生成物)—H(反应物)=E(生成物)—E(反应物)。

我们都知道热传递和做功是能量传递的两种方法，而热量又是热传递过程中传递的能量，所以热量是过程量，即焓变ΔH也是过程量。因为热传递过程中物质的能量发生了改变，这个改变可写成ΔH=H2—H1=Qр=E2—E1，而物质的能量E1、E2都是状态量，所以焓H也是状态量。所以说焓是一个状态量，是物质具有的一种能量。焓变是焓的变化，是等压条件下化学反应中，物质的能量全部转化成热能时，反应前后物质焓的变化，并且这个变化在数值上等于化学反应热。

二，焓的意义。

我们把要研究的对象称作一个系统，如果系统与外界环境没有任何相互作用，则称该系统为孤立系统；若系统与外界环境只有能量交换但没有物质交换，则称此系统为封闭系统；若系统与外界环境既有能量交换又有物质交换，则称此系统为开放系统。根据热力学第一定律U=Q+W知，如果一个系统是封闭系统，那么其内能的增量U在数直上就等于这个系统从外面吸收的热量和外界环境对此系统做功的和。而W=FS=PV=—(P2V2—P1V1)，所以Q=U—W=(U2+P2V2)—(U1+P1V1)。又由上面知，在恒压和只做体积功的条件下Q=ΔH，由此得出在这个特殊情况下焓H=U+PV，其中PV为压力势能。这样焓的物理意义就可以理解为焓是恒压和只做体积功的特殊条件下，封闭系统的内能和其压力势能二者的和。这虽然是在特殊情况下得出来的，但它是焓的一个普实的物理意义。

三，焓的本质。

焓就是一个封闭系统的内能和其压力势能二者的和，即H=U+PV。现在我们把系统换成物质的话，那么焓就是一个具体物质的能量状态参数，是这个物质内能和其排开空间(确切的说是四维时空)所做功的二者之和，即H=U+PV。这里的U是物质所具有的所有内部能量；P为物质对空间的平均压强；V是物质排开空间的体积，而物质排开空间的体积一般大于物质自身的体积，其原因有二。

第一，物质由于运动，使它排开空间的体积大于其自身的体积。我们先举个例子：一个理想的刚性球完全浸没在水里面，且不吸收一点丁水，如果球是静止的，那么球的体积就等于球排开水的体积。如果这个球是运动的，比如球从A处快速运动到附近的B处，当球离开A处时，A处周围的水不可能在短时间内添满A处的全部空间，这时球已经占据了B处，所以球排开水的实际总体积就大于球自身的体积。故一个静止的物质排开空间的体积等于自身的体积，一个运动的物质排开空间的体积就大于自身的体积；而宇宙万物都在永不停息的运动着，所以任何物质排开空间的体积都大于它自身的体积。

第二，物质由于具有能量，所以在物质周围形成能量场漩涡，这样物质排开空间的体积自然就大于物质自身的体积。

综上所述，焓(H)是一个物质的能量状态参数，是物质的内能加上这个物质排开空间所做功的总能量，即H=U+PV，其中V是物质排开空间的体积而不是物质的体积，它大于物质自身的体积，这就是焓的本质。而在我们现实的宏观物体上，物体排开空间的体积就近似的等于物体的体积。焓变等于一个系统内能的变化和这个系统排开外部环境体积功的变化的和，用一个等式表示为ΔH=ΔU+Δ(PV)。

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