焓测量在恒定压力下过程中交换的能量。
焓有多种类型，例如形成、燃烧和中和。
它的计算可以预测物理和化学反应的能量行为。
焓是那些虽然听起来很遥远并且只在物理或化学课堂上才会讲到的概念之一，但它在科学和众多日常应用中都具有极其重要的意义。 如果你曾经好奇过热量如何在封闭系统中循环，冰箱为何工作，或者是什么决定了化学反应中的能量，那么焓与所有这些问题都息息相关。在本文中，我们将深入探讨与焓相关的所有内容，包括它的定义、基本原理、公式、应用、历史以及它在物理和化学中的作用。
在接下来的章节中，你会发现焓不仅仅是一个学术术语，而是一个工具，它能让我们更好地理解我们日常生活中的能量交换过程、状态变化和反应。我们还将分析不同类型的焓、如何测量焓，以及区分反应焓、生成焓和燃烧焓的目的。让我们深入了解这个基本概念的所有基本知识（以及更多！）。
指数
1 什么是焓？2 基础知识：焓的起源和历史3 为什么焓很重要？4 根据过程划分的焓类型5 焓的数学公式和关系6 吸热和放热过程7 焓的日常例子和应用8 焓的实验计算与测量9 标准焓和热力学约定10 实例：制冷循环11 焓和熵：有什么区别？12 常见化合物的生成焓表13 焓随温度变化：基尔霍夫定律14 燃烧焓：有机反应中的能量15 反应焓和盖斯定律16 磁流体力学和其他先进领域的焓
什么是焓？
焓是一个热力学量，表示在恒定压力下进行该过程时系统可以与周围环境交换的能量，通常以热量的形式。 它用字母 H 表示，在国际单位制中，单位为焦耳 (J)。为了更好地理解这一点，我们可以将焓理解为一种“能量计量”，它告诉我们在恒压条件下，系统发生转变时有多少热量进入或离开。这一性质尤其有用，因为在自然界中，大多数过程都发生在或多或少恒定的大气压下，从锅中的水沸腾到发动机中汽油的燃烧。
与同样测量系统总能量的内能不同，焓不仅包含内能，还包含由于压力下体积变化而导致系统所做的功。 简而言之，焓既涵盖系统中已有的能量，也涵盖为系统“腾出空间”所需的能量（抵抗周围环境压力的膨胀）。
从更技术层面来说，焓是系统内部能量 (U) 与压力 (p) 和体积 (V) 的乘积之和，计算公式如下：
H = U + p·V
其中：
H：焓（焦耳，J）
U：内能（J）
p：压力（帕斯卡，Pa）
V：体积（立方米，m³）
系统两种状态之间的焓变（ΔH）告诉我们在恒定压力下进行该过程时交换的热量。 因此，焓是理解在许多科学、工业和日常环境中能量转换如何发生的关键。
基础知识：焓的起源和历史
焓的概念相对现代，其根源在于热力学的发展。 它由美国物理学家约西亚·威拉德·吉布斯于1875年提出，他定义了这个状态函数来描述在恒定压力下交换的热量。然而，“焓”这个术语本身是由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯于1909年创造的，他因发现超导性而闻名，并于1913年获得诺贝尔物理学奖。这个词源于希腊语，其中“en”表示“内部”，“thalpein”表示“加热”，这与内能加热量的概念完美契合。
在西班牙语中，它通常用字母 H 来表示（灵感来自英语中“heat”的首字母，或者根据一些资料，也来自希腊语大写字母 eta），它的用处在于它是一种状态函数。 这意味着它的值仅取决于系统的初始状态和最终状态，而与转换过程中遵循的路径无关。这一细节至关重要，因为它使我们能够简化复杂过程的分析。
因此，焓在 20 世纪初被确立为热力学和化学的基本工具，从那时起，它就成为计算能量转移的支柱，无论是在 工业流程、科学研究或国内应用。
为什么焓很重要？
焓是计算在恒定压力下进行的过程所传递的热量的理想参数，巧合的是，这些过程也是我们在现实生活中遇到的大多数过程。 从发动机中的燃料燃烧到空调系统或实验室中的简单化学反应，焓帮助我们确定一个过程是吸收热量（吸热）还是释放热量（放热），从而控制其效率和安全性。
此外，焓对于理解制冷循环、状态变化（如熔化或汽化）和化学变化的工作原理至关重要。 如果没有焓这样的工具，进行能量平衡或比较不同的技术、工业或科学替代方案将会复杂得多。
根据过程划分的焓类型
焓可以以不同的方式表现出来并进行测量，这取决于我们分析它的物理或化学过程的类型。 主要类型有：
生成焓： 是指在标准条件下（通常为25°C和1个大气压），由最稳定状态的元素生成1摩尔化合物时所产生的焓变。通常，标准状态下纯元素的生成焓为零。
分解焓： 它是将复杂物质分解成更简单物质所需的能量。
燃烧焓： 它表示在氧气存在下，一摩尔物质燃烧时释放或吸收的能量。这些反应通常是高度放热的。
中和焓： 它是酸和碱结合形成水和盐时交换的能量。
物理现象中的焓： 例如状态变化（熔化、汽化、升华等），其中焓告诉我们这些过程中所需或释放的热量。
所有这些类型的焓使我们能够计算和比较不同物质在物理变化或化学反应下的行为。 它们还帮助我们理解为什么有些反应是自发的而有些则不是，或者为什么某些材料更适合储存能量。
焓的数学公式和关系
焓的基本表达式是 H = U + p·V，但真正有用的是分析焓在转变过程中如何变化，即其变化量（ΔH）。 在恒定压力下进行某一过程时，焓的变化相当于吸收或释放的热量：
ΔH= qp
其中 Qp 是在恒定压力下交换的热量。因此，
ΔH = H最后 - Hinicial
在化学反应中，该表达式使我们能够计算反应是吸热反应（ΔH > 0，吸收热量）还是放热反应（ΔH < 0，释放热量）。
另一个重要公式涉及内能 （U）、膨胀功（p·ΔV）和传递的热量：
ΔH = ΔU + p·ΔV
该方程表明，当所做的功完全是由于恒定压力下的体积变化时，焓的变化反映了交换的总热量。
在理想气体的具体情况下，由于压力和体积与温度直接相关，因此分析会简化。对于化学反应，生成物的摩尔焓之和减去反应物的摩尔焓之和，可以确定反应焓，这对工程师、化学家和科学家来说至关重要。
吸热和放热过程
将过程分为吸热过程和放热过程是焓最实际的用途之一。 根据ΔH值是正数还是负数，我们可以知道系统是从环境中吸收热量，还是相反，释放热量。
吸热过程： ΔH > 0。系统从环境中吸收能量。例如，水的蒸发或冰的融化都需要从环境中吸收热量。
放热过程： ΔH < 0。系统向周围环境释放能量。燃料燃烧或酸碱反应通常是放热的。
这种分类对于预测自然和人工过程的行为和自发性至关重要。
焓的日常例子和应用
焓的概念不仅对科学家来说是基础，而且在日常生活和工业的许多应用中也是基础。 以下是焓在实践中应用的一些示例：
冰箱和空调： 制冷系统的运行基于热力学循环，其中流体在不同阶段吸收和释放热量。在压缩过程中，流体的焓值增加；当流体蒸发时，它会从周围环境吸收热量（从而冷却冰箱或空调的内部）。
状态变化： 当我们煮沸水时，所消耗的能量的一部分用于增加液态水的焓，直到它变成蒸汽。融化冰时也会发生同样的情况：吸收的热量转化为焓的增加。
燃料燃烧： 汽油、天然气或煤在燃烧过程中会释放出巨大的能量，导致很大的负焓变（放热）。
工业化学反应： 化学品的合成、药物的制造或材料的生产在很大程度上取决于反应物和产物之间的焓交换。
这些例子说明了焓在日常生活中的存在程度，以及为什么理解和知道如何计算焓如此重要。
焓的实验计算与测量
系统的总焓无法直接测量，但可以通过实验获得其变化。 为此，人们采用了量热技术，该技术可以测量恒压下反应或物理过程中吸收或释放的热量。最常见的设备是量热计，在化学反应中，人们会调整所获得的数据来计算焓变。
在实验室和工业中，通常会将大量化学品和化合物的标准反应焓、生成焓和燃烧值制成表格。 根据赫斯定律，这些数据可以通过将产物的生成焓加起来并减去反应物的生成焓来计算任何反应的焓。
标准焓和热力学约定
在化学和热力学中，通常使用标准焓值，它指的是在受控条件下的焓变，并被全球接受为参考值。这些标准条件包括：
温度：25°C（298 K）
压力：1 个大气压（101 325 Pa，尽管现在有时使用 100 kPa 进行四舍五入）
聚集态：在指定温度和压力下每种物质的最稳定形式
标准生成焓（ΔHºf化合物的焓变是指化合物在标准状态下由其元素生成一摩尔化合物时的焓变。 按照惯例，元素在其最稳定状态（例如 O₂(g)、Cl₂(g)、Na(s)）的生成焓始终取为零，这样更容易为所有计算选择一个共同的参考点。例如，由氢和氧生成液态水的焓值为 ΔHºf 负。
实例：制冷循环
通过一个实际的例子来理解焓就变得简单多了：冰箱的循环。 假设您有一台家用冰箱，其制冷剂气体在封闭的回路中循环。该循环包含几个阶段：
压缩机： 制冷剂气体进入压缩机，被压缩至高压，其温度和焓值升高。
电容器： 热气体通过盘管冷却，向外部环境释放热量。在这里，气体凝结成液体，失去部分焓。
膨胀阀： 高压液体通过阀门，压力急剧下降，制冷剂膨胀，进一步冷却。
蒸发器： 冷液体进入冰箱内部的盘管。当制冷剂吸收食物的热量时，制冷剂蒸发，焓值增加，从而冷却冰箱内部。
这个循环不断重复，是焓如何让我们量化和优化封闭系统中的热传递的完美例子。
焓和熵：有什么区别？
焓常常与热力学中的另一个基本概念熵混淆。 尽管它们相关，但它们的意思并不相同。 熵 衡量系统的无序性或随机性程度，与过程的不可逆性有关。相反， 恩塔尔皮亚 测量恒压过程中交换的热量。
这两个概念与热力学第二定律相关，在确定化学反应的方向和自发性时至关重要。 一般来说，系统的熵越大，可供交换的焓越小，反之亦然。因此，在平衡状态下，熵达到最大值，焓达到最小值，这为理解自然系统如何演化提供了一个全面的视角。
常见化合物的生成焓表
为了便于计算化学反应，手册和数据库包含不同化合物的标准生成焓表。 以下是一些典型的例子（在 25ºC 和 1 个大气压下）：
复合
国家体制
公式
ΔHºf (千焦/摩尔)
氨
煤气
氨₃
-46,1
碳酸钠
坚硬的
碳酸钠
-1131
氯化钠
坚硬的
NaCl
-411,12
氢氧化钠 （英语：Sodium hydroxide）
坚硬的
NaOH
-426,7
硫酸
网
硫酸
-814
二氧化碳
煤气
-393,5
水
网
水
-285,8
水
蒸汽
水
-241,8
生成焓随化合物的物理状态而变化，因此始终需要查阅相关表格并检查在什么标准条件下进行测量。 此外，元素最稳定状态（如O₂(g)、Cl₂(g)、Na(s)）的生成焓取为零，从而便于反应计算。
焓随温度变化：基尔霍夫定律
焓随温度的变化由恒压热容量（Cp). 基尔霍夫定律使我们能够计算出温度变化时反应焓如何变化：
ΔH(T2) = ΔH(T1) + (T2 - T.1) × ΔCp
热容量表示在恒定压力下，将一摩尔物质的温度升高一摄氏度所需的热量。因此，如果我们知道ΔC的值p 反应中，我们可以调整任何感兴趣温度下的反应焓。
燃烧焓：有机反应中的能量
焓的一个基本实际应用是计算有机物质（如碳氢化合物或酒精）燃烧过程中释放的能量。 燃烧过程总是高度放热的，其焓值可以在标准表格中找到。例如，甲烷与氧气完全燃烧会产生二氧化碳和水，释放出大量有用的能量：
CH4(g)+2O2(g) → 一氧化碳2(g) + 2小时2O(l), ΔHºc = -890,3 千焦/摩尔
这些数据对于发动机、锅炉和 发电厂，因为它们使我们能够准确计算出从给定燃料中可以获得的能量。
反应焓和盖斯定律
盖斯定律是焓在化学中最实际的应用之一。 该定律表明，总反应的焓变等于该反应各阶段焓变之和。利用盖斯定律，可以通过将反应物和产物的生成焓值相加或相减，从简单反应计算出复杂反应的焓变。
一般方程为：
ΔHºr = ΣΔHºf 产品 – ΣΔHºf 试剂
因此，即使我们没有特定化学反应的实验数据，我们也可以轻松地从其他反应的表格值中推断出来。
磁流体力学和其他先进领域的焓
除了在经典化学和物理学中发挥关键作用之外，焓还可应用于磁流体动力学 (MHD) 等先进领域。 在 MHD 中，利用焓差，通过强磁场下导电流体的运动来发电。 热电联产 它展示了焓在清洁和可再生技术发展中的潜力，以及如何将其研究融入未来的能源中。
此外，焓是气象学、化学工程、地质学和生物学的基础，每当需要能量平衡计算或涉及复杂的开放系统时。
热电联产
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