焓和熵的由來(lái).docx

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1、焓和熵的由來(lái)熵S：物理學(xué)上指熱能除以溫度所得的商，標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功的程度。熵的單位就是焦耳每開(kāi)爾文，即J/K。熵是熱力系內(nèi)微觀粒子無(wú)序度的一個(gè)量度，熵的變化可以判斷熱力過(guò)程是否為可逆過(guò)程。（可逆過(guò)程熵不變）熱力學(xué)能與動(dòng)能、勢(shì)能一樣，是物體的一個(gè)狀態(tài)量。能量可以轉(zhuǎn)化為功，能量守恒定律宣稱，宇宙中的能量必須永遠(yuǎn)保持相同的值。那么，能夠把能量無(wú)止境地轉(zhuǎn)化為功嗎？既然能量不滅，那么它是否可以一次又一次地轉(zhuǎn)變?yōu)楣Γ?824年，法國(guó)物理學(xué)家卡諾證明：為了作功，在一個(gè)系統(tǒng)中熱能必須非均勻地分布，系統(tǒng)中某一部分熱能的密集程度必須大于平均值，另一部分則小于平均值，所能荼得的功的數(shù)量媽決于這種密集程度之差。在作

2、功的同時(shí)，這種差異也在減小。當(dāng)能量均勻分布時(shí)，就不能再作功了，盡管此時(shí)所有的能量依然還存在著。德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯重新審查了卡諾的工作，根據(jù)熱傳導(dǎo)總是從高溫到低溫而不能反過(guò)來(lái)這一事實(shí)，在1850年的論文中提出：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。這就是熱力學(xué)第二定律，能量守恒則是熱力學(xué)第一定律。1854年，克勞修斯找出了熱與溫度之間的某一種確定產(chǎn)關(guān)系，他證明當(dāng)能量密集程度的差異減小時(shí)，這種關(guān)系在數(shù)值上總在增加，由于某種原因，他在1856年的論文中將這一關(guān)系式稱作“熵”（entropy)。在作理論分析時(shí)，有時(shí)用熵的概念比較方便。在自然界發(fā)生的許多過(guò)程中，有的過(guò)程朝一個(gè)方向可以自

3、發(fā)地進(jìn)行，而反之則不行。例如，一個(gè)容器的兩邊裝有溫度、壓力相同的兩種氣體，在將中間的隔板抽開(kāi)后，兩種氣體會(huì)自發(fā)地均勻混合，但是，要將它們分離則必須消耗功。混合前后雖然溫度、壓力不變，但是兩種狀態(tài)是不同的，單用溫度與壓力不能說(shuō)明它的狀態(tài)。兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，高溫物體會(huì)自發(fā)地將熱傳給低溫物體，最后兩個(gè)物體溫度達(dá)到相等。但是，相反的過(guò)程不會(huì)自發(fā)地發(fā)生。上述現(xiàn)象說(shuō)明，自然界發(fā)生的一些過(guò)程是有一定的方向性的，這種過(guò)程叫不可逆過(guò)程。過(guò)程前后的兩個(gè)狀態(tài)是不等價(jià)的。用什么物理量來(lái)度量這種不等價(jià)性呢?通過(guò)研究，找到了“熵”這個(gè)物理量。有些過(guò)程在理想情況下有可能是可逆的，例如氣缸中氣體膨脹時(shí)舉起一個(gè)重

4、物做了功，當(dāng)重物下落時(shí)有可能將氣體又壓縮到原先的狀態(tài)。根據(jù)熵的定義，熵在一個(gè)可逆絕熱過(guò)程的前后是不變的。而對(duì)于不可逆的絕熱過(guò)程，則過(guò)程朝熵增大的方向進(jìn)行?；蛘哒f(shuō)，熵這個(gè)物理量可以表示過(guò)程的方向性，自然界自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程總是朝著總熵增加的方向進(jìn)行，理想的可逆過(guò)程總熵保持不變。對(duì)上述的兩個(gè)不可逆過(guò)程，它們的終態(tài)的熵值必大于初態(tài)的熵值。在制氧機(jī)中常遇到的節(jié)流閥的節(jié)流膨脹過(guò)程和膨脹機(jī)的膨脹過(guò)程均可近似地看成是絕熱過(guò)程。二者膨脹后壓力均降低。但是，前者是不可逆的絕熱膨脹，膨脹前后熵值肯定增大。后者在理想情況下膨脹對(duì)外作出的功可以等于壓縮消耗的功，是可逆絕熱膨脹過(guò)程，膨脹前后熵值不變，叫等熵膨脹。實(shí)際的膨

5、脹機(jī)膨脹會(huì)有損失，也是不可逆過(guò)程，熵也增大。但是，它的不可逆程度比節(jié)流過(guò)程小，增加的熵值也小。因此，熵的增加值反映了這個(gè)絕熱過(guò)程不可逆程度的大小。在作理論分析計(jì)算時(shí)，引入熵這個(gè)狀態(tài)參數(shù)很為方便。熵的單位為J/(mol?K)或kJ/(kmol?K)。但是，通常關(guān)心的不是熵的數(shù)值，而是熵的變化趨勢(shì)。對(duì)實(shí)際的絕熱膨脹過(guò)程，熵必然增加。熵增加的幅度越小，說(shuō)明損失越小，效率越高。焓：熱力學(xué)中表示物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，常用符號(hào)H表示。數(shù)值上等于系統(tǒng)的內(nèi)能U加上壓強(qiáng)p和體積V的乘積，即H=U+pV。焓的變化是系統(tǒng)在等壓可逆過(guò)程中所吸收的熱量的度量。焓是物體的一個(gè)熱力學(xué)能狀態(tài)函數(shù)。在介紹焓之前我們需要

6、了解一下分子熱運(yùn)動(dòng)、熱力學(xué)能和熱力學(xué)第一定律：1827年，英國(guó)植物學(xué)家布朗把非常細(xì)小的花粉放在水面上并用顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)花粉在水面上不停地運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則。起初人們以為是外界影響，如振動(dòng)或液體對(duì)流等，后經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明這種運(yùn)動(dòng)的的原因不在外界，而在液體內(nèi)部。原來(lái)花粉在水面運(yùn)動(dòng)是受到各個(gè)方向水分子的撞擊引起的。于是這種運(yùn)動(dòng)叫做布朗運(yùn)動(dòng)，布朗運(yùn)動(dòng)表明液體分子在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。從實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，布朗運(yùn)動(dòng)隨著溫度的升高而愈加劇烈。這表示分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)跟溫度有關(guān)系，溫度越高，分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)就越激烈。正因?yàn)榉肿拥臒o(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)系，所以通常把分子的這種運(yùn)動(dòng)叫做分子的熱運(yùn)動(dòng)。在熱學(xué)中，分子

7、、原子、離子做熱運(yùn)動(dòng)時(shí)遵從相同的規(guī)律，所以統(tǒng)稱為分子。既然組成物體的分子不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，那么，像一切運(yùn)動(dòng)著的物體一樣，做熱運(yùn)動(dòng)的分子也具有動(dòng)能。個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象（速度大小和方向）是偶然的，但從大量分子整體來(lái)看，在一定條件下，他們遵循著一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的宏觀量——溫度，就是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均值。分子動(dòng)能與溫度有關(guān)，溫度越高，分子的平均動(dòng)能就越大，反之越小。所以從分子動(dòng)理論的角度看，溫度是