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。焓是内能和体积的勒让德变换。它是SpN总合的热势能。是热力学中为便于研究等压过程而引入的一个态函数。它在可逆等压过程中的增量表征热力学系统在此过程中所吸收的热量,是化学热力学中为便于研究等压过程的热而引入的态函数,符号H。
焓_焓 -理论诠释
焓一个热力学体系的焓定义为:
H=U+pV(1)
式中U、p和V分别为该体系的内能、压强和体积。H即焓,也是状态函数,而且是一个广延量。当系统进行某一过程时,焓的变量ΔH只与始态、终态有关,而与中间过程无关。焓具有能量的量纲。焓的单位为焦耳(J)。“焓”是荷兰物理学家H.昂内斯提出的,来自希腊文,含义是“加热”,因为特定的过程中,焓的变量ΔH与热量有关。焓曾有许多别的名称,如热焓、热容量、热函数和吉布斯热函数等。
由热力学第一定律可以导出,若一个封闭的热力学体系经历一个等压过程,而且在此过程中体系只有因体积变化而由压力作的功(即体积功),则该过程体系吸收或放出的热就等于在此过程中体系的焓变,即:
ΔH=Qp(2)
上式被广泛应用于计算热工及化工过程的热效应。
对于理想气体,焓仅是温度的函数。对于可逆定压过程,加给单位物质的热量在数值上等于该物质比焓的增加。根据焓的定义,在流动过程中焓代表物质向前方传递的内能和流动功之和。因此在分析开口系统(见热力系统)的能量交换时,焓是常用的参数。
焓_焓 -相对焓值
在热力学中,焓的绝对值是无法得到的,因此通常采用选取某些物质作为基准,通过测定或计算与基准物质间的焓的差值,得到其他物质的相对焓值的方法。例如,在计算化学反应的焓变时,规定在反应温度和标准压力下,所有稳定单质的焓值为零,而由稳定单质生成1摩尔某化合物的反应的焓变称为此化合物在该温度下的摩尔生成焓,记为ΔfHm。这样,一个在某温度下进行的任意的化学反应的焓变就等于该温度下产物的总生成焓减去反应物的总生成焓。例如,对反应2SO2(气)+O2(气)→2SO3(气)(3)
ΔH=2ΔfHm(SO3,气)-2ΔfHm(SO2,气)
一些常见物质在298.15K的标准摩尔生成焓可从各种化学化工手册上查到。根据类似的原理,化学反应的焓变还可通过物质的标准摩尔燃烧焓、键焓等计算。
当体系经历一个没有相变和化学反应的等压变温过程时,体系的焓变可由下式计算:
ΔH=Cp(T2-T1)(4)
式中Cp是体系的定压热容,即体系在等压且只作体积功的条件下温度升高1K所吸收的热量,T1、T2分别为体系初态和末态的温度。
如果已经知道某一相变过程或化学反应在某一温度T1下的焓变ΔH1,要求另一温度T2下的焓变ΔH2,则可通过下式计算:
ΔH2=ΔH1+ΔCp(T2-T1)(5)
式中ΔCp是产物的总的定压热容和反应物的总的定压热容的差值。例如,对反应(3):
ΔCp=2Cp(SO3)-2Cp(SO2)-Cp(O2)
在式(4)和(5)的计算中,若T1、T2相差较大,则Cp应用该物质在此温度区间的平均热容。
焓_焓 -焓变与热效应
在特定过程中,焓变与热效应有关。如果在恒压和只做体积功的条件下进行某一过程,系统的焓变ΔH才等于恒压过程热效应。化学上很多过程符合上面两个条件,如恒压相转变(熔融、升华、沸腾)和恒压的化学变化等。因此,可通过焓变ΔH研究恒压过程热效应。焓_焓 -焓变的应用
在化学反应中,焓的增量ΔH等于反应热;在相变过程中,ΔH等于相变潜热(见潜热);对于仅有温度变化而无相变和化学反应的系统,其焓的增量与温度改变量之比就等于该系统的定压热容Cp。
焓在热工和化工上应用很普遍,因许多热学过程和化学反应都是在等压条件下进行的。这时可以由焓差来计算系统所吸收的热量。又由于焓是态函数,焓差只决定于系统的初、终态而与具体过程无关,故在热工和化工计算中,从特制的图表查出物质在初、终态的焓值,即可知相应过程所吸收的热量。
焓_焓 -气体焓
热力学中表征物质系统能量的一个重要状态参量,单位质量物质的焓称为比焓,表示为h=u+p/ρ,u为单位质量物质的内能(称为比内能),ρ为密度,1/ρ为单位质量物质的体积。一定质量的物质按定压可逆过程由一种状态变为另一种状态,焓的增量便等于在此过程中吸入的热量。气体的内能是气体分子微观运动的动能,其中包括分子的平移动能、分子转动动能和分子内部的振动以及离解能量等。单原子气体分子只有平移动能,多原子气体分子除具有平移动能外,还有转动和振动能。在热力学温度1500K以下,振动和离解能可忽略不计,气体内能只包括平移动能和转动能。这两部分能量在理论上都正比于热力学温度T。对于完全气体(在常温常压下,空气与完全气体很相近),定压比热cp可视为常数,单位质量气体的焓等于cp和气体热力学温度T的乘积,即h=cpT。实验测定实际气体的cp同T和p都有关系,温度的影响比压强要大一些,但影响都不很大。在理论和工程计算中,cp常被看成常数。在气流问题中,气体的比焓等于气体内能和流动功之和,因为p/ρ等于单位质量流体流进某流管截面时反抗压力所作的功(即流动功)。单位质量气体的总能量等于比焓与宏观流动动能之和,称为总比焓,通常以h0表示。在与外界没有能量交换的气流中,沿流管气体的总比焓不变,即h0为常值。