巖土工程師備考資料：焓介紹以及計算

　　焓

　　化學(xué)熱力學(xué)是一門研究在化學(xué)變化和物理變化中伴隨發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和傳遞的科學(xué)。

　　(一)基本概念：

　　(1).體系與環(huán)境：在化學(xué)中，把研究的對象叫做體系，把體系以外的部分叫做環(huán)境

　　敞開體系：體系與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量的交換。

　　封閉體系：體系與環(huán)境之間無物質(zhì)交換，只有能量的交換。

　　孤立體系：體系與環(huán)境之間，既沒有物質(zhì)交換，也沒有能量交換。

　　(2).狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)：

　　狀態(tài)：用來描述這個體系的諸如溫度、壓力、體積、質(zhì)量和組成等物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的總和，當(dāng)這些性質(zhì)都有確定值時，就說體系處于一定的狀態(tài)。

　　狀態(tài)函數(shù)：用來描述體系的這些性質(zhì)僅決定于狀態(tài)本身而與變化過程的具體途徑無關(guān)，這些性質(zhì)就是狀態(tài)函數(shù)。

　　顯然，P、V、T、n、△u等都是狀態(tài)函數(shù)，而Q、w都不是狀態(tài)函數(shù)與途徑有關(guān)。

　　狀態(tài)函數(shù)值的變化只取決于體系的初態(tài)和終態(tài)而與變化的途徑無關(guān)。

　　(3).過程和途徑：

　　過程：體系所發(fā)生的狀態(tài)變化叫做熱力學(xué)過程，簡稱過程。過程開始的狀態(tài)叫做始態(tài)，最后的狀態(tài)叫做終態(tài)，習(xí)慣上把狀態(tài)變化所經(jīng)歷的具體步驟叫做途徑。常見的過程：

　　等溫過程(T)：在溫度不變的情況下，體系由始態(tài)到終態(tài)進行的過程。

　　等壓過程(P)：在壓力不變的情況下，體系由始態(tài)到終態(tài)進行的過程。

　　恒容過程(V)：在體積不變的情況下，體系由始態(tài)到終態(tài)進行的過程。

　　絕熱過程(Q)：在變化過程中，體系與環(huán)境之間沒有熱量交換。

　　(二)熱力學(xué)能與熱力學(xué)第一定律

　　(1).熱與功：

　　在化學(xué)反應(yīng)中除了有熱能變化之外，還有其他形式的能量變化。在熱力學(xué)中，把體系與環(huán)境之間因溫度不同而交換或傳遞的能量稱為熱，除了熱以外的其他一切交換或傳遞的能量都稱之為功，一般用符號Q表示熱，用符號W表示功。并規(guī)定體系吸收熱量為正值，體系放出熱量為負值，體系對環(huán)境所作的功是正值，環(huán)境對體系所作的功是負值。

　　(2).熱力學(xué)能：

　　體系內(nèi)部能量的總和稱為熱力學(xué)能，用符號u表示。熱力學(xué)能包括體系內(nèi)各種物質(zhì)的分子平動能，分子間勢能，分子內(nèi)部的轉(zhuǎn)動能和振動能，電子運動能、核能等。內(nèi)能的絕對值雖無法測出，但內(nèi)能的變化△u可通過熱力學(xué)第一定律進行計算。

　　(3).熱力學(xué)第一定律：

　　人們經(jīng)過長期實踐證明，能量是不生不變的，但它可以變換形式，這就是能量守恒定律。也稱為熱力學(xué)第一定律。

　　如果體系由狀態(tài)(1)變化到狀態(tài)(2)，在此過程中體系從環(huán)境吸熱Q對環(huán)境作功W，則根據(jù)能量守恒定律，體系內(nèi)能的變化△u為：

　　△ u=u2一u1=Q-w ——熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達式。

　　(三)焓(H)

　　在恒壓條件下進行的化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)叫做恒壓熱效應(yīng)，用Qp表示，某化學(xué)反應(yīng)在不作其他功和恒壓條件下進行時，其熱效應(yīng)Qp由熱力學(xué)第一定律可知：

　　Qp =( u2 +pV2)一(u1+pVl)

　　從上式可看出，Qp就是終態(tài)的(u2 +pV2)與始態(tài)的(u1+pVl )之差，由于u、p、V都是體積的狀態(tài)函數(shù)，它們的組合當(dāng)然也是狀態(tài)函數(shù)，在熱力學(xué)中，將u+pV定義為

　　新的狀態(tài)函數(shù)，叫做焓，用符號H表示，即：H=u+pV。

　　此式表明：焓不是“體系所包含的熱”而是一項復(fù)合能，即等于體系的內(nèi)能(u)與體系的體積能(pV)的總和，它是體系的一種熱力學(xué)性質(zhì)。

　　當(dāng)體系的狀態(tài)在恒壓下發(fā)生改變時，其焓變?yōu)椤鱄=H2一Hl=( u2 +pV2 )一(u1+pVl)，所以Qp=△H，即在恒壓過程中，體系吸收的熱量等于體系中焓的增量，因此，△H也叫做恒壓條件下的反應(yīng)熱，它等于體系的內(nèi)能變化與體系所作膨脹功的總和

　　△H=△u+p·△V。

　　(1).標準焓變△rHm㈠

　　恒壓下，化學(xué)反應(yīng)的焓變可由實驗測定Qp而得到，但一般也可利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算得出，由于焓的絕對值和內(nèi)能一樣，也是無法測定的。因而只能采取一些相對的標準，這樣可方便地計算反應(yīng)的焓變，常把 △rHm㈠稱作標準摩爾焓變，△rHm㈠中，r表示反應(yīng)，(-)表示反應(yīng)時壓力為100kPa，m表示化學(xué)進度為1mol。

　　(2).蓋斯定律

　　蓋斯定律：不管化學(xué)反應(yīng)是一步完成，或者是幾步完成，這一反應(yīng)的熱效應(yīng)總是相同的。這也是能量守恒定律的一種表現(xiàn)形式。

　　這是因為焓或內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，只要化學(xué)反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)給定，則△H或△u便是定值，與這個反應(yīng)的途徑無關(guān)，

　　(3).標準生成焓

　　由穩(wěn)定單質(zhì)生成單位量(如lmol)某種物質(zhì)反應(yīng)的標準焓變，定義為該種物質(zhì)的標準生成焓，以△fH m㈠表示，f：表示生成，m代表lmol;(-)：表示處于標準狀態(tài)。

　　任何處于最穩(wěn)定狀態(tài)下的單質(zhì)，其標準生成焓為零：

　　顯然，根據(jù)蓋斯定律和標準生成焓的定義，可以得出某一反應(yīng)的標準焓變。對于任何一個反應(yīng)： aA+bB=eE+dD

　　在298k，100kPa的標準條件，反應(yīng)的標準焓變△rHm㈠，可按下式求得：

　　△rHm㈠=(e·△fH m㈠(E)+ d·△fH m㈠(D))-(a·△fH m㈠(A)+ b·△fH m㈠(B))

　　例2、 求：3Fe2O3(s)+H2(g)一2Fe304(s) +H20(1) 的△rHm㈠

　　-824.25 0 -1118.38 -285.83

　　△fH m㈠(298k)/kJ·mol-1

　　解： △rHm㈠ =∑(△fH m㈠)產(chǎn)物—∑(△fH m㈠)生成物

　　=2×(-1118.38)+(-285.83)一3×(-824.25)

　　=-49.84kJ·mol-1

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