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By陈亚玲老师焓到底是什么？高中初见化学热力学的第一个门槛就是焓H。对于没有任何热学基础的学生来说，焓抽象而神秘，在上课做题中反复出现，反复使用，可是很多学生学了三年，考上大学，甚至大学毕业了还没很疑惑：焓到底是什么呢？先看看高中教材是怎么说的：人教版（选修4P2）：“焓（H）是与内能有关的物理量。在一定条件下，某一化学反应是吸热反应还是放热反应，由生成物与反应物的焓值差即焓变（△H）决定。”看门见山，先把焓与学生熟悉的内能挂钩，马上笔锋一转，避开焓本身，只谈焓变，而且马上同吸热放热联系起来。鲁科版觉得这样不过瘾（反应原理（选修）P5）：“正如质量是物质所具有的固有性质一样，物质所具有的能量也是物质固有的性质，可以用一个物理量来描述。科学家们定义了一个称为“焓”的物理量，符号为H，用它的变化来描述化学反应的反应热。”说了半天也没说明白，就给读者留下点模糊的印象：焓与物质能量有关系。的确，焓是描述物质能量的物理量，此处的能量不包括物质整体的动能和势能，特指系统内在的能量。与之非常相似的是内能U，指分子间的动能与势能的总和。动能这一部分指的就是无规则的热运动，温度越高，热运动越剧烈，所以这部分动能是与温度直接相关的。势能这一部分若狭义地讲，则只包含分子间作用力所对应的能量；若广义地讲，则还包含原子间作用力，即化学键中所包含的能量，也就是所谓的“化学能”。焓H与内能U有明确的数学关系：H=U+P×𝑉先看一个假想实验：用一个体积为V的绝热的玻璃罩罩住了部分空气，把这部分空气作为一个系统来研究，玻璃罩以外的就是环境，环境压强保持不变，恒等于P，显然罩内空气的压强也是P。By陈亚玲老师A：罩内的气体分子不停地做着无规则运动，具有动能，气体分子间有作用力，具有势能，这两部分和在一起是系统的内能U。B：对A情景做一些改动，假设玻璃罩内是真空，没有温度，没有能量，真正是什么都没有．．．．．。但有一只神奇的手，能创造．．（不是搬运）一个个气体分子，把它们放进罩内，让它们重新有了动能和势能，重现和A一模一样的系统状态，这时这只手消耗的能量就等于这部分空气具有的内能U。C：再对B情景做一些改动，现在没有玻璃罩，那么也没有玻璃罩隔离出来的真空的空间。还是那只神奇的手，能创造气体分子一个个放到原来的位置，每放一个，体积就增大一PPA：用玻璃罩罩住部分空气B：真空玻璃罩PB：真空玻璃罩B：向真空玻璃罩一个个放入分子B：真空玻璃罩B：创造分子，一个个放入罩内B：重现A系统C：重现A系统C：创造分子，一个个放在原位C：没有玻璃罩占据位置A：用玻璃罩罩住部分空气By陈亚玲老师点，就要克服环境的压强P做功。如此重现和A一模一样的系统状态。这只手消耗的能量比情景B多了一部分：为系统创造空间．．而克服外界压强所做的功P×V。这只手消耗的总能量就等于A系统的焓H。现在我们知道了，焓可以理解为两部分能量之和：创造系统本身所需的能量即U+在恒压的环境中为系统创造空间位置所消耗的能量P×V。以上只是个假想实验，在现实中是不能实现的，不存在没有温度的真空，也不存在什么神奇的手。那物理学家们是不是吃饱了撑着，在U之外凭空捏造一个H的东西？这要从热力学第一定律也就是能量守恒定律谈起。能量传递分为两类：热量Q和功W。任何系统的能量变化都源自热量的吸收（释放）与环境对系统（系统对环境）做功，用数学的语言是这样描述的：∆U=Q+W焦耳通过实验测定，一般物质温度升高ΔT与吸收热量Q呈正比，于是将Q/ΔT称为物体在此过程中的热容量（简称热容），用C表示C=Q/ΔT。对于气体来说，恒容条件和恒压条件下的热容量是不同的。恒容条件下系统与外界只有热量交换，而不做功，易于处理；但恒容条件一般不易实现，现实生活中遇到的多是恒压条件。两者均很重要，因此不妨定义两种热容，于是就在C下加个下标予以区分，就有了𝐶𝑣和𝐶𝑝。对于气体，在恒容条件下，W=0（因为体积不变，又没有其他形式的做功），吸收的热量Q将全部用于增加内能，所以∆U=Q其中Q=𝐶𝑣×∆T，所以∆U=𝐶𝑣×∆T这时候内能U才名正言顺的来到人间。𝐶𝑝是什么呢？在恒压P条件下，气体吸收热量Q，温度升高，压强变大，必然体积膨胀（设为∆V），对外做功P×∆V，根据热力学第一定律有∆U=Q−P×∆V其中Q=𝐶𝑝×∆T，和恒压热容𝐶𝑝对应了起来，那么不妨对上式做一下变形：U2−U1=Q−P×(𝑉2−𝑉1)By陈亚玲老师整理后得(U2+P×𝑉2)−(U1+P×𝑉1)=Q=𝐶𝑝×∆T看出来了吗？如果我们把括号里的部分看做一个新的物理量焓H：H=U+P×𝑉那么它的数学形式跟∆U=𝐶𝑣×∆T是如此的相似！于是有：H2−H1=∆H=𝐶𝑝×∆T由上面的推导你应该明白了，H的出现是迎合研究恒压条件能量变化的需求，是为了与𝐶𝑝相对应。H与U的关系完全是数学推导的结果，他本身没有较为直观的物理意义（之前的假想实验只是为了满足读者的求知欲而YY出来的一种合理的解释）。谈论绝对的H和U没有意义，正如并没有绝对的“重力势能”一样。能量的零点都是人为定义的，人们并不关注能量的绝对数值，而是关心在功、能转化的过程中的能量相对变化量。这种观念对于内能与焓也同样适用。那么对于∆U和∆H，我们就可以通过测定𝑄𝑣和𝑄𝑝来间接得到始末态的变化值。物理学家给出了U的物理意义，所以更偏好U，喜欢用∆U讨论热学问题，偶尔玩弄一下∆H。因为大多数化学反应都是在接近恒压条件下进行的，用∆H处理化学问题非常方便，化学家们都是实用主义者，也就不去追究H到底有没有物理意义了。与此类似的是，在建筑设备、环境科学、热能工程等关注传热的领域，人们也更多地使用H，而较少使用U。