无机化学课程及焓变物理意义分析 本文关键词：无机化学，物理，意义，课程，分析
无机化学课程及焓变物理意义分析 本文简介：摘要：无机化学课程热化学部分关于焓的概念，引入太直接，论述太抽象，公式推导不严谨，学生们的接受程度很低。鉴于此，文章在融合了国内外关于焓的物理意义的学术探讨的基础上，以通俗易懂的表述手法，从教学角度探讨焓及焓变的物理意义，促进学生理解，并为其后续课程相关知识的学习打下一定的基础。关键词：焓；焓变；物
无机化学课程及焓变物理意义分析 本文内容：
摘要：无机化学课程热化学部分关于焓的概念，引入太直接，论述太抽象，公式推导不严谨，学生们的接受程度很低。鉴于此，文章在融合了国内外关于焓的物理意义的学术探讨的基础上，以通俗易懂的表述手法，从教学角度探讨焓及焓变的物理意义，促进学生理解，并为其后续课程相关知识的学习打下一定的基础。
关键词：焓；焓变；物理意义
无机化学中热化学作为整个化学反应原理的基础，在整个无机化学课程中起着举足轻重的作用。[1]这部分内容虽是打开化学反应原理大门的钥匙，却不能太过深入地探讨，只能从教学手法上找对策，让学生在有限的知识储备和时间上对这部分内容有个清晰地认识。焓及焓变是热化学中非常重要且难懂的概念，文章通过对无机化学教材中焓概念引入缺陷的分析和近年来相关领域关于焓物理意义学术探讨的总结，根据自己的教学经验，以更加浅显易懂的表达方式向学生们阐述其形象化的物理意义。
1无机化学教材中焓的概念的引入缺陷分析
无机化学教材往往是介绍完热力学第一定律后，紧跟着恒容热容和恒压热容的简单推到。在恒压热容中顺带给出焓的表达式，即：“恒压反应中，Dp=0则有DU=Qp+W=Qp+(−pDV)=Qp−D(pV)所以Qp=DU+D(pV)(因为p1=p2=p)即Qp=(U2−U1)+(pV2−pV1)=(U2+pV2)−(U1+pV1)则Qp=D(U+pV)由于U,p,V都是状态函数，所以U+pV也是一个状态函数。令H≡U+pV，即：Qp=DHH称热焓，或焓，是一个新的状态函数。在恒压反应过程中，体系吸收的热量全部用来改变体系的热焓。”这种推导方式不严谨，论述太抽象，使得焓的概念成为了恒压热容附带的产物。且由于p为恒定值，不再具备状态函数的特性，在H=U+pV的基础上推导焓的变化量DH时，多出的VDp就显得无所适从。在工程热力学中，由于U和pV如影随形般的出现而人为定义的焓的概念，既有其计算上的方便，也有着其他方面的原因。
2焓的物理意义的学术探讨
部分教材中认为焓具有能量的单位，但并不是系统中所含的能量，其本身没有明确的物理意义，纯粹是为了计算的方便而人为引进的关系式；但却都给出了焓变的物理意义，即恒压条件下，系统与环境所发生的热交换。试想：如果焓没有特定的物理意义，焓变的物理意义从何而来呢？对于H=U+pV,pV处在与具有明确物理意义的内能U的并列地位，必然是有其深刻的物理原因的。王伯年认为，只要压力场是定常的，就可以赋予pV以压力势能的概念，因而在此条件下，焓就是内能与压力势能之和，即焓是一种加和的能量。[3]A.C.雅斯特列姆斯基认为，焓是气体的能量，即气体的内能和压力势能之和。[4]H.D.贝尔认为，能量pV只应说明介质通过开口体系固定边界时的特性；pV是介质流通过体系边界时所转移的能量；穿透控制空间边界的运动介质带给开口体系的除了比内能U、动能和位能外，还有比流动能pV。[5]从以上观点可以看出，焓具有一定的物理意义是有着广泛共识的，只是在pV部分能量的指定上还存在一定的分歧。文章基于非学术层面，接受pV是一种势能的观点，仅从教学角度探讨焓及焓变的物理意义。
3焓及焓变物理意义的教学探讨
从焓的定义式H=U+pV可知，焓是两项能量的加和形式，即内能U和势能pV。对一确定的封闭体系来讲，其一切能量的总和已经由内能U所定义，包括动能和势能。显然，焓并非表示确定体系所含有的能量，而是在其基础上附带了潜在的pV势能，且此潜在势能只有在发生变化的气相体系中才表现出来。pV虽是状态函数（p、V都是状态函数），但其变化量D(pV)却是能量的其它形式（pDV表示体积功，VDp表示热），为非状态函数。功是强度因素与广度因素变化量的乘积，强度因素的大小决定了能量的传递方向，而广度因素则决定了功值的大小，因此，pDV表示体积功。由理想气体状态方程pV=nRT知，在发生变化的气相体系中，当容器容积保持不变，且物质的量变化不大时，压强的增加将直接导致体系温度的升高，因此，VDp表示热。从微观角度讲，功是大量质点以有序运动而传递的能量，热是大量质点以无序运动方式而传递的能量。因而，对于定义式H=U+pV，其变化量△H=△U+△(pV)=△U+V△p+p△V=Q+W+V△p+p△V=Q+W+Q’+W’=(Q+Q’)+(W+W’)=Q͂+W͂=△U͂。其中，Q’=V△p，表示势能潜热，W’=p△V表示势能潜功，Q͂表示体系潜热，W͂表示体系潜功，U͂表示体系潜能。可以看出，焓变普适性的物理意义即为体系的潜能变化。对于恒压反应：V△p=0，则有，△H=△U+△(pV)=△U+V△p+p△V=△U−W=Qp。即在恒压反应过程中，体系的焓变全部体现在热量的吸收或释放上。
4焓变物理意义的形象化阐述
文章以地面上的气球在热气流作用下上升到一定海拔高度的能量变化为例，以不太严谨的比喻手法形象化阐释其中各部分的物理含义（△H,△U,V△p,p△V）。如图1所示，气球在热气流作用下从地面上升到一定高度，此过程体系的潜能变化即为焓变△H。其中，蜡烛燃烧前后的能量变化即为内能变化△U；气球由未膨胀状态到膨胀状态势能潜功即为体积功p△V；气球上升到一定高度的势能潜热即为压力变化导致的V△p。
5结语
无机化学教材中焓的引入是通过无非体积功的恒压变化引出的，但绝不意味着只有在无非体积功的恒压过程才有焓的存在。焓是体系的状态函数，状态确定，焓值便有定值。文章从教学角度探讨出焓的物理意义即为确定封闭体系的潜在能量（内能U和潜在势能pV之和），而这种潜在能量只有在发生变化的气相体系中才表现出来。相应地，焓变的物理意义即为体系的潜能变化。当体系处于恒压条件下，焓变的物理意义可直接表示为恒压热容。
参考文献：
[1]武汉大学,吉林大学.无机化学[M].第三版.北京:高等教育出版社,2018:249-251.
[2]连理工大学无机化学教研室.无机化学[M].第五版.北京:高等教育出版社,2018:28-29.
[3]王伯年.论焓的物理意义[J].上海机械学院学报,1985(4):27-34.
[4]A.C.雅斯特列姆斯基著,沈维道译.雅氏工程热力学[上册][M].北京:电子工业出版社,1964.
[5]H.D.贝尔著,杨东华等译.工程热力学理论基础及工程应用[M].北京:科学出版社,1983a.
作者：张传磊 王彦 单位：安庆师范大学化学化工学院
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