焓和熵的区别

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介绍

热力学是一门研究热与功之间关系的学科。要很好地理解它，就必须深入探讨两个概念：熵和焓。本文将以有序的方式讨论熵和焓的基本定义以及它们之间的区别。简单来说，熵是衡量混乱程度的指标；另一方面，焓表示系统的总热量。

什么是熵？

熵是一个可测量的物理量，表示系统无序程度。任何物质或介质——流体或固体，都是由分子组成的。分子越无序和随机，熵就越大。因此，可以转化为功的热量就不会太多。这样，我们可以说熵是热量的函数。最初，这个概念被称为“热势”。后来，克劳修斯在他的热力学第二定律陈述中，将其定义为可逆过程中热量的微小变化与瞬时温度之比。

$$\mathrm{\Delta S=\frac{\Delta Q}{T}}$$

如果分子的随机性较小，则熵的变化也较小。因此，固体的熵通常小于流体。系统加上周围环境的熵总是增加的。这意味着宇宙的熵总是在增加。

例子

我们周围可以看到熵变化的各种实例。在日常生活中，我们看到宇宙总是趋向于熵增加，即随机性增加的方向。一些来自日常生活的例子如下：

• 渗透——当我们在一个封闭的安静房间里点燃一根香时，产生的烟雾总是倾向于扩散。由于分子获得了随机性和无序性，它会自行膨胀。这是熵增加的一个例子。我们永远不会看到烟雾自行沉降并集中在一个地方。

• 溶解也会导致熵增加。固体实际上处于高度有序的状态，溶解后会进入更无序的状态。将糖溶解在水中会增加系统的能量，因为系统的随机性增加，因此熵也增加。

• 篝火也是熵的一个例子。燃料——通常是固体木材、纸张或稻草，燃烧并变成灰烬，灰烬的无序程度更高。此外，还会释放出烟雾和各种气体，如二氧化碳。原子以扩展的形式扩散，无序性增加，因此据说熵增加了。

• 从一种状态到另一种状态的相变过程也会导致熵的变化。处于固态的冰块比熔化后的水具有更高的有序性和更低的熵。宇宙本身永远不会推动冻结过程，即熵的减少。

什么是焓？

焓是热力学系统的属性，表示系统中总的热量变化。根据热力学第一定律，它是内能和压强与体积乘积之和。了解化学反应中焓发生了多少变化非常重要。我们无法直接测量系统的总焓，因为内能中有一些未知参数。相反，我们测量焓的变化，以便我们更容易理解过程。从数学上讲，它可以表示为

$$\mathrm{H=U+PV}$$

这里，U 是内能，P 是压强，V 是系统的体积。此外，测量焓的变化也有助于我们确定反应是吸热反应（吸收热量）还是放热反应（释放热量）。需要注意的另一重要事项是，反应步骤的顺序或反应步骤的数量不会影响反应焓变的值。

例子

焓在现实生活中有很多应用和例子。其中一些可以列举如下：

• 食品品牌和行业计算食物通过体内葡萄糖键断裂释放多少能量，从而控制所售食品的卡路里数量。

• 汽车行业也检查发动机在消耗一定量的燃料时使用了多少能量。简单来说，他们使用焓和能量变化来为汽车做出高效的能源选择并节省资金。

• 冰箱压缩机也是焓的应用。压缩机中的制冷剂化学物质汽化，导致在吸热反应中吸收热量。

熵和焓之间的关系

根据上面讨论的定义，可以将熵和焓的变化关联起来，如下所示

当焓变为负值时：$\mathrm{\Delta}$H = -ve，我们说热量传递到周围环境，即放热反应。这是一个稳定的系统，因此是自发的。这意味着周围环境的熵也增加了。

而当焓变为正值时：$\mathrm{\Delta}$H = +ve，我们说热量从周围环境添加到系统中，即吸热反应。这意味着周围环境的熵减少了。

为了将反应的自发性与 H 和 S 完美地联系起来，使用以下关系

$$\mathrm{\Delta G=\Delta H-T\Delta S}$$

此方程称为吉布斯-亥姆霍兹方程。在此方程中，$\mathrm{\Delta}$G 是自由能的变化。对于任何自发反应发生，$\mathrm{\Delta}$G 总是负的。

熵和焓的区别

序号	熵	焓
1	它是一种热力学可测量属性	它是一种能量
2	它是衡量随机性的指标	它是衡量系统总热量含量的指标
3	系统总是倾向于最大化熵	系统总是倾向于最小化焓
4	其单位为 $\mathrm{JK^{1}}$	其单位为 J$\mathrm{mol^{1}}$
5	用符号 S 表示	用符号 H 表示

结论

焓和熵是热力学中的重要术语，在检查反应的有利性和自发性时密切相关。虽然焓是衡量热量含量的指标，而熵是衡量系统随机性的指标，但它们之间也存在许多差异。

常见问题

Q1. 什么是赫斯定律？

答：根据赫斯定律（恒定热量总和定律）的陈述，无论反应中有多少步骤，或者这些步骤的顺序如何，反应的总焓变都是每个步骤单独计算的所有焓变之和。

Q2. 影响反应焓变值的主要两个因素是什么？

答：反应物的温度和物质的相态。物质的不同相态会导致具有特定化学成分的反应物在经历相变过程后不一定以相同的方式传递热量。

Q3. 为什么宇宙的熵在增加？

答：在每一时刻，自然界都在膨胀，其能量也在增加。熵是衡量能量和随机性增加的指标，能量在每一时刻都在膨胀和扩散。因此，自然界是自发的，宇宙的熵在增加。

Q4. 什么是绝对熵？

答：绝对熵是指将系统从绝对零度温度升高到某个较高温度时熵的变化。

Q5. 如何判断一个反应是否有利？

答：当 $\mathrm{\Delta S}$ 为正时，即熵增加，这意味着系统变得更加无序，这对反应的发生是有利的。但是，当反应的 $\mathrm{\Delta S}$ 为负时，熵减少，这对于反应的发生不是自然有利的条件。