[科普中國]-焓變

焓（hán）變(Enthalpy changes)即物體焓的變化量。焓是物體的一個熱力學(xué)能狀態(tài)函數(shù)，即熱函：一個系統(tǒng)中的熱力作用，等于該系統(tǒng)內(nèi)能加上其體積與外界作用于該系統(tǒng)的壓強(qiáng)的乘積的總和(Enthalpy is a combination of internal energy and flow work.)。

公式焓焓是一個狀態(tài)函數(shù)，也就是說，系統(tǒng)的狀態(tài)一定，焓的值就確定。

焓的定義式（焓沒有實際的物理意義，但是它有操作意義。）是這樣的：H=U+pV [焓=流動內(nèi)能+推動功]

其中U表示熱力學(xué)能，也稱為內(nèi)能(Internal Energy)，即系統(tǒng)內(nèi)部的所有能量；

p是系統(tǒng)的壓強(qiáng)(Pressure)，V是系統(tǒng)的體積(Volume) 。

焓具有能量單位（J）,由于U、p、V均為狀態(tài)函數(shù)，故H一定也是狀態(tài)函數(shù)，另外，U、V的廣度性質(zhì)也決定了H的光度量。1

焓變的定義**焓變是生成物與反應(yīng)物的焓值差。**作為一個描述系統(tǒng)狀態(tài)的狀態(tài)函數(shù)，焓變沒有明確的物理意義。

ΔH(焓變)表示的是系統(tǒng)發(fā)生一個過程的焓的增量。

ΔH=ΔU+Δ（pV）

在恒壓條件下，ΔH(焓變)數(shù)值上等于恒壓反應(yīng)熱。

焓變是制約化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生的重要因素之一，另一個是熵變。

熵增焓減，反應(yīng)自發(fā)；

熵減焓增，反應(yīng)逆向自發(fā)；

熵增焓增，高溫反應(yīng)自發(fā)；

熵減焓減，低溫反應(yīng)自發(fā)。

相關(guān)知識在了解焓變時我們需要弄清分子熱運動、熱力學(xué)能和熱力學(xué)第一定律：

分子的熱運動

1827年，英國植物學(xué)家布朗把非常細(xì)小的花粉放在水面上并用顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)花粉在水面上不停地運動，且運動軌跡極不規(guī)則。起初人們以為是外界影響，如振動或液體對流等，后經(jīng)實驗證明這種運動的的原因不在外界，而在液體內(nèi)部。原來花粉在水面運動是受到各個方向水分子的撞擊引起的。于是這種運動叫做布朗運動，布朗運動表明液體分子在不停地做無規(guī)則運動。從實驗中可以觀察到，布朗運動隨著溫度的升高而愈加劇烈。這表示分子的無規(guī)則運動跟溫度有關(guān)系，溫度越高，分子的無規(guī)則運動就越激烈。正因為分子的無規(guī)則運動與溫度有關(guān)系，所以通常把分子的這種運動叫做分子的熱運動。

熱力學(xué)能

在熱學(xué)中，分子、原子、離子和原子團(tuán)做熱運動時遵從相同的規(guī)律，所以統(tǒng)稱為分子。

既然組成物體的分子不停地做無規(guī)則運動，那么，像一切運動著的物體一樣，做熱運動的分子也具有動能。個別分子的運動現(xiàn)象（速度大小和方向）是偶然的，但從大量分子整體來看，在一定條件下，它們遵循著一定的統(tǒng)計規(guī)律，與熱運動有關(guān)的宏觀量——溫度，就是大量分子熱運動的統(tǒng)計平均值。分子動能與溫度有關(guān)，溫度越高，分子的平均動能就越大，反之越小。所以從分子動理論的角度看，溫度是物體分子熱運動的平均動能的標(biāo)志（即微觀含義，宏觀：表示物體的冷熱程度）。

分子間存在相互作用力，即化學(xué)上所說的分子間作用力（范德華力）。分子間作用力是分子引力與分子斥力的合力，存在一距離r0使引力等于斥力，在這個位置上分子間作用力為零。分子引力與分子斥力都隨分子間距減小而增大，但是斥力的變化幅度相對較大，所以分子間距大于r0時表現(xiàn)為引力，小于r0時表現(xiàn)為斥力。因為分子間存在相互作用力，所以分子間具有由它們相對位置決定的勢能，叫做分子勢能。分子勢能與彈簧彈性勢能的變化相似。物體的體積發(fā)生變化時，分子間距也發(fā)生變化，所以分子勢能同物體的體積有關(guān)系。

物體中所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和叫做物體的熱力學(xué)能，也叫做內(nèi)能。熱力學(xué)能與動能、勢能一樣，是物體的一個狀態(tài)量。

初中我們學(xué)過，改變物體內(nèi)能的方式有兩個：做功和熱傳遞。

一個物體，如果它跟外界不發(fā)生熱交換，也就是它既沒有吸收熱量也沒有放出熱量，則外界對其做功等于其熱力學(xué)能的增量：

ΔU1=W

如果物體對外界做功，則W為負(fù)值，熱力學(xué)能增加量ΔU1也為負(fù)值，表示熱力學(xué)能減少。

如果外界既沒有對物體做功，物體也沒有對外界做功，那么物體吸收的熱量等于其熱力學(xué)能的增量：

ΔU2=Q

如果物體放熱，則Q為負(fù)值，熱力學(xué)能增加量ΔU2也為負(fù)值，表示熱力學(xué)能減少。

一般情況下，如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么物體熱力學(xué)能的增量等于外界對物體做功加上物體從外界吸收的熱量，即：

ΔU=ΔU1+ΔU2=Q+W

熱力學(xué)第一定律

因為熱力學(xué)能U是狀態(tài)量，所以：

ΔU=U末態(tài)-U初態(tài)=Q+W

上式即熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式。

化學(xué)反應(yīng)都是在一定條件下進(jìn)行的，其中以恒容與恒壓最為普遍和重要。

在密閉容器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)就是恒容過程。因為系統(tǒng)體積不變，而且不做體積功，所以W=0，代入熱一定律表達(dá)式得：

ΔU=Q

它表明恒容過程的熱等于系統(tǒng)熱力學(xué)能的變化，也就是說，只要確定了過程恒容和不做體積功的特點，Q就只決定于系統(tǒng)的初末狀態(tài)。

在敞口容器中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)就是恒壓過程。所謂恒壓是指系統(tǒng)的壓強(qiáng)p等于環(huán)境壓強(qiáng)p外，并保持恒定不變，即p=p外=常數(shù)。由于過程恒壓和只做體積功，所以：

W=W體積=-p外(V2-V1)=-(p2V2-p1V1)

其中W為外界對系統(tǒng)做的功，所以系統(tǒng)對外做功為負(fù)。壓強(qiáng)乘以體積的改變量是系統(tǒng)對外做的功，可以按照p=F/S，V=Sh，∴Fh=pV來理解。

將其代入熱一定律表達(dá)式得：

Q=ΔU-W=U2-U1+(p2V2-p1V1)=(U2+p2V2)-(U1+p1V1)

因為U+pV是狀態(tài)函數(shù)（即狀態(tài)量）的組合（即一個狀態(tài)只有一個熱力學(xué)能U，外界壓強(qiáng)p和體積V），所以將它定義為一個新的狀態(tài)函數(shù)——焓，并用符號H表示，所以上式可變?yōu)椋?

Q=H2-H1=ΔH

它表明恒壓過程中的熱等于系統(tǒng)焓的變化，也就是說，只要確定了過程恒壓和只做體積功的特點，Q就只決定于系統(tǒng)的初末狀態(tài)。

焓的理解

焓的物理意義可以理解為恒壓和只做體積功的特殊條件下，Q=ΔH，即反應(yīng)的熱量變化。因為只有在此條件下，焓才表現(xiàn)出它的特性。例如恒壓下對物質(zhì)加熱，則物質(zhì)吸熱后溫度升高，ΔH>0，所以物質(zhì)在高溫時的焓大于它在低溫時的焓。又如對于恒壓下的放熱化學(xué)反應(yīng)，ΔH