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。
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。
焓变
焓是物体的一个热力学能状态函数,焓变即物体焓的变化量。
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。于是这种运动叫做布朗运动,布朗运动表明液体分子在不停地做无规则运动。从实验中可以观察到,布朗运动随着温度的升高而愈加剧烈。这表示分子的无规则运动跟温度有关系,温度越高,分子的无规则运动就越激烈。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。个别分子的运动现象(速度大小和方向)是偶然的,但从大量分子整体来看,在一定条件下,他们遵循着一定的统计规律,与热运动有关的宏观量——温度,就是大量分子热运动的统计平均值。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。分子引力与分子斥力都随分子间距减小而增大,但是斥力的变化幅度相对较大,所以分子间距大于r0时表现为引力,小于r0时表现为斥力。因为分子间存在相互作用力,所以分子间具有由它们相对位置决定的势能,叫做分子势能。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。
物体中所有分子做热运动的动能和分子势能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,而且只做体积功(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),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,只要确定了过程恒容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。所谓横压是制系统的压强p等于环境压强p外,并保持恒定不变,即p=p外=常数。由于过程恒压和只做体积功,所以:
W=W体积=-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和只做体积功的特点,Q就只决定于系统的初末状态。
焓的物理意义可以理解为恒压和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。为把物质的热性质数据汇集起来,以便人们查用,所以很有必要对物质的状态有一个统一的规定,只有这样才不致引起混乱。基于这种需要,科学家们提出了热力学标准状态的概念。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。
定义:热力学中表示物质系统能量的一个状态函数,常用符号H表示。数值上等于系统的内能U加上压强p和体积V的乘积,即H=U+pV。
焓的变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量。
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)和特别焓 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。
焓的定义是:
H = U + pV
其中H表示焓,U表示内能。
内能来自于热能-以分子不规则运动为依据(动能,旋转动能,振动能),化学能和原子核的势能。此外还有偶极子的电磁转换。焓由系统温度的提高而成比例增大,在绝对零度时为零点能量。在这里体积功直接视为对压强("p")引起体系体积(V)变化 ΔV 而形成的功。
由微分形式表达为:
注意:微分符号中的正体d和斜体d的区别,正体d为状态参数所保留。
[编辑] 定义
定义一个系统内:
H = U + pV
式子H为焓,U为系统内能,p为其压强,V则为体积。
对于在大气内进行的化学反应,压强一般保持常值,则有
δH = δU + pδV
规定放热反应的焓取负值。 如:
SO3(g)+H2O(l)→H2SO4(l);ΔH= -1303 kJ/mol
表示每生成1 mol H2SO4 放出 1303 kJ 的热。
严格的标准热化学方程式格式: H2(g)+1/2O2(g)→H2O(l) ΔrHθm=-286kJ·mol-1 (θ表示标准态,r表示反应,m表示1mol反应含义为标准态下进行一摩尔反应的焓变)
[编辑] 标准生成焓
标准生成焓是指在标准状态(1,013 bar;25 ℃)下生成一摩尔最稳定形态纯净物质放出(放热反应,符号为负)或者吸收(吸热反应,符号为正)的焓,单位千焦/摩尔,符号Δ Hf0。
焓为负时,表明构成此物质的过程中放出能量;相反焓为正时,构成此物质的过程中需要吸收能量。标准生成焓为极大的负值表明此物质有极高的化学稳定性(就是说,构成此物质时放出了极大能量,而要破坏此物质,同样需要极大的能量)。化学元素在最稳定状态(氢|H2,氦|He,锂|Li,)下的标准生成焓,是通过0KJ/Mol定义的。
标准生成焓的一个重要应用是通过赫士定律(又称盖斯定律)计算反应焓:反应焓等于反应产物的标准生成焓与反应物的标准生成焓之差。公式表示为
这与定理等效:生成焓在通常条件下只与物质本身相关,而与反应的过程无关。 生成焓是一个热力学状态参数。其所有值与热力学平衡相关,因为温度并未定义。
具体的定义参见百度百科,我觉得那个定义得挺好的,不重复
我主要说下物理意义和应用范围
在工程上,通常在热力学上构成热力循环,即工质在循环中发生热量交换或做功,那么工质在不同的位置所蕴含的能量是不同的,故而需要一个物理量来衡量其蕴含的能量多少。
如果没有焓这个概念,那现有的物理量只能表示能量总量、做功能力、做功功率等,不能准确衡量其循环中工质的能量密度,因此建立其焓这个概念。焓的单位KJ/Kg,能够表明其单位质量工质所包含的能量。而对于热力循环而言,工质的质量流量是很好确定的,与焓相乘就能简单得到能量的流动情况。
工程上,焓主要用于表示单位质量工质所蕴含的能量,例如锅炉中水在不同位置的焓值,可直接用于计算每个换热元件的换热量;汽轮机中的蒸汽在不同透平处的焓值,可直接用于计算每个透平的做功量等等。
化学上也用得到焓,衡量每种反应物所蕴含的化学能,可直接用于反应热和吉布斯自由能的计算。
首先跟你说一下 焓的单位是焦耳,不是焦耳每摩尔。 而你给出的几个例子的写发也不对。 因为焓是一定条件下某物质的物理量。对于某反应应该写成焓变----ΔH。 你所说的J/mol指的是摩尔反应焓变
焓的定义及物理意义是: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HeatCapacity(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KJmol)和特别焓h(单位:千焦千克KJKg)也非常重要,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。这是SpN总合的热势能。如果没有焓这个概念,那现有的物理量只能表示能量总量、做功能力、做功功率等,不能准确衡量其循环中工质的能量密度,因此建立其焓这个概念。焓的单位KJ/Kg,能够表明其单位质量工质所包含的能量。
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