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是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的能量參數(shù)。規(guī)定由字母H(單位:焦耳,J)表示,H來自于英語熱學(xué) Capacity(熱容)一詞。此外在化學(xué)和技術(shù)文獻(xiàn)中,摩爾焓Hm(單位:千焦/摩爾KJ/mol)和特別焓h(單位:千焦/千克KJ/Kg)也非常重要,它們描述了焓在物質(zhì)的量n和物質(zhì)質(zhì)量m上的定義。

焓是內(nèi)能和體積的阿德利昂·瑪利·埃·勒讓德變換。它是SpN總合的熱勢(shì)能。是熱力學(xué)中為便于研究等壓過程而引入的一個(gè)態(tài)函數(shù)。它在可逆等壓過程中的增量表征熱力學(xué)系統(tǒng)在此過程中所吸收的熱量,是化學(xué)熱力學(xué)中為便于研究等壓過程的熱而引入的態(tài)函數(shù),符號(hào)H。在化學(xué)反應(yīng)中,焓的變化(△H)等于系統(tǒng)所吸收或釋放的熱量(-△H)。

理論詮釋

一個(gè)熱力學(xué)體系的焓定義為:

(1)

式中U、p和V分別為該體系的內(nèi)能、壓強(qiáng)和體積。H即焓,也是狀態(tài)函數(shù),而且是一個(gè)廣延量。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行某一過程時(shí),焓的變量ΔH只與始態(tài)、終態(tài)有關(guān),而與中間過程無關(guān)。焓具有能量的量綱。焓的單位為焦耳(J)。“焓”是荷蘭物理學(xué)家H.昂內(nèi)斯提出的,來自希臘文,含義是“加熱”,因?yàn)樘囟ǖ倪^程中,焓的變量ΔH與熱量有關(guān)。焓曾有許多別的名稱,如熱焓、熱容量、熱函數(shù)和吉布斯熱函數(shù)等。

熱力學(xué)第一定律可以導(dǎo)出,若一個(gè)封閉的熱力學(xué)體系經(jīng)歷一個(gè)等壓過程,而且在此過程中體系只有因體積變化而由壓力作的功(即體積功),則該過程體系吸收或放出的熱就等于在此過程中體系的焓變,即:

(2)

上式被廣泛應(yīng)用于計(jì)算熱工及化工過程的熱效應(yīng)。

對(duì)于理想氣體,焓僅是溫度的函數(shù)。對(duì)于可逆定壓過程,加給單位物質(zhì)的熱量在數(shù)值上等于該物質(zhì)比焓的增加。根據(jù)焓的定義,在流動(dòng)過程中焓代表物質(zhì)向前方傳遞的內(nèi)能和流動(dòng)功之和。因此在分析開口系統(tǒng)(見熱力系統(tǒng))的能量交換時(shí),焓是常用的參數(shù)。

相對(duì)焓值

熱力學(xué)中,焓的絕對(duì)值是無法得到的,因此通常采用選取某些物質(zhì)作為基準(zhǔn),通過測(cè)定或計(jì)算與基準(zhǔn)物質(zhì)間的焓的差值,得到其他物質(zhì)的相對(duì)焓值的方法。例如,在計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的焓變時(shí),規(guī)定在反應(yīng)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力下,所有穩(wěn)定單質(zhì)的焓值為零,而由穩(wěn)定單質(zhì)生成1摩爾某化合物的反應(yīng)的焓變稱為此化合物在該溫度下的摩爾生成焓,記為。這樣,一個(gè)在某溫度下進(jìn)行的任意的化學(xué)反應(yīng)的焓變就等于該溫度下產(chǎn)物的總生成焓減去反應(yīng)物的總生成焓。例如,對(duì)反應(yīng)

(3)

一些常見物質(zhì)在298.15K的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓可從各種化學(xué)化工手冊(cè)上查到。根據(jù)類似的原理,化學(xué)反應(yīng)的焓變還可通過物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓、鍵焓等計(jì)算。

當(dāng)體系經(jīng)歷一個(gè)沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的等壓變溫過程時(shí),體系的焓變可由下式計(jì)算:

(4)

式中Cp是體系的定壓熱容,即體系在等壓且只作體積功的條件下溫度升高1K所吸收的熱量,T1、T2分別為體系初態(tài)和末態(tài)的溫度。

如果已經(jīng)知道某一相變過程或化學(xué)反應(yīng)在某一溫度T1下的焓變?chǔ)1,要求另一溫度T2下的焓變?chǔ)2,則可通過下式計(jì)算:

(5)

式中ΔCp是產(chǎn)物的總的定壓熱容和反應(yīng)物的總的定壓熱容的差值。例如,對(duì)反應(yīng)(3):

在式(4)和(5)的計(jì)算中,若T1、T2相差較大,則Cp應(yīng)用該物質(zhì)在此溫度區(qū)間的平均熱容。

焓變與熱效應(yīng)

在特定過程中,焓變與熱效應(yīng)有關(guān)。如果在恒壓和只做體積功的條件下進(jìn)行某一過程,系統(tǒng)的焓變?chǔ)才等于恒壓過程熱效應(yīng)。化學(xué)上很多過程符合上面兩個(gè)條件,如恒壓相轉(zhuǎn)變(熔融、升華、沸騰)和恒壓的化學(xué)變化等。因此,可通過焓變?chǔ)研究恒壓過程熱效應(yīng)。

焓變的應(yīng)用

在化學(xué)反應(yīng)中,焓的增量ΔH等于反應(yīng)熱;在相變過程中,ΔH等于相變潛熱(見潛熱);對(duì)于僅有溫度變化而無相變和化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng),其焓的增量與溫度改變量之比就等于該系統(tǒng)的定壓熱容Cp。

焓在熱工和化工上應(yīng)用很普遍,因許多熱學(xué)過程和化學(xué)反應(yīng)都是在等壓條件下進(jìn)行的。這時(shí)可以由焓差來計(jì)算系統(tǒng)所吸收的熱量。又由于焓是態(tài)函數(shù),焓差只決定于系統(tǒng)的初、終態(tài)而與具體過程無關(guān),故在熱工和化工計(jì)算中,從特制的圖表查出物質(zhì)在初、終態(tài)的焓值,即可知相應(yīng)過程所吸收的熱量。

氣體焓

熱力學(xué)中表征物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)重要狀態(tài)參量,單位質(zhì)量物質(zhì)的焓稱為比焓,表示為,u為單位質(zhì)量物質(zhì)的內(nèi)能(稱為比內(nèi)能),ρ為密度,1/ρ為單位質(zhì)量物質(zhì)的體積。一定質(zhì)量的物質(zhì)按定壓可逆過程由一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài),焓的增量便等于在此過程中吸入的熱量。氣體的內(nèi)能是氣體分子微觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,其中包括分子的平移動(dòng)能、分子轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能和分子內(nèi)部的振動(dòng)以及離解能量等。單原子氣體分子只有平移動(dòng)能,多原子氣體分子除具有平移動(dòng)能外,還有轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能。在熱力學(xué)溫度1500K以下,振動(dòng)和離解能可忽略不計(jì),氣體內(nèi)能只包括平移動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能。這兩部分能量在理論上都正比于熱力學(xué)溫度T。對(duì)于完全氣體(在常溫常壓下,空氣與完全氣體很相近),定壓比熱cp可視為常數(shù),單位質(zhì)量氣體的焓等于cp和氣體熱力學(xué)溫度T的乘積,即。實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際氣體的cp同T和p都有關(guān)系,溫度的影響比壓強(qiáng)要大一些,但影響都不很大。在理論和工程計(jì)算中,cp常被看成常數(shù)。

氣流問題中,氣體的比焓等于氣體內(nèi)能和流動(dòng)功之和,因?yàn)閜/ρ等于單位質(zhì)量流體流進(jìn)某流管截面時(shí)反抗壓力所作的功(即流動(dòng)功)。單位質(zhì)量氣體的總能量等于比焓與宏觀流動(dòng)動(dòng)能之和,稱為總比焓,通常以h0表示。在與外界沒有能量交換的氣流中,沿流管氣體的總比焓不變,即h0為常值。

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