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對於焓是否能這樣理解?

作者:由 知乎使用者 發表于 體育時間:2021-03-18

對於焓是否能這樣理解?數學渣子2021-03-19 07:31:27

熱力學是迷惑性很強的學科。這是入門者的通病,沒有理解透熱力學的基本精神。pV是兩個狀態函式的乘積,不能簡單地看做是內壓力勢能。

對於焓是否能這樣理解?靖海2021-03-20 12:49:11

同意上面說的,pV是兩個狀態函式的乘積,不能簡單地看做是內壓力勢能。焓是一個為了方便計算開放系統傳熱量創造出來的狀態量,同樣的,熵、吉布斯自由能、(火用),也都是創造出來而不是真實存在的。而內能U是真實存在的。

摘抄一段維基百科對焓這個創造出來的物理量的物理意義解釋:

The U term can be interpreted as the energy required to create the system, and the pV term as the work that would be required to “make room” for the system if the pressure of the environment remained constant。 When a system, for example, n moles of a gas of volume V at pressure p and temperature T, is created or brought to its present state from absolute zero, energy must be supplied equal to its internal energy U plus pV, where pV is the work done in pushing against the ambient (atmospheric) pressure。

這裡強調一下U是系統從無到有創生出來的過程中需要的能量,而pV是創造這個能量的過程中如果

外界壓力不變

的情況下,為了創造出這個系統所佔據的空間所要額外多輸入的熱量。類似的,如果這個系統的體積不變,那麼就沒有這部分pV(不論你管它叫什麼),傳熱的量就值等於內能的變化,會小於定壓系統焓的變化。

在流動系統(比如各種流體機械)中,可以視為壓力是不變的,所以用焓變來計算熱量的變化。在化學中,由於化學反應熱的實驗都是在大氣壓下完成的,控制反應壓力是一件很困難的事情(現實生活中大多數的反應也不會控制壓力),因此用來表徵化學反應和相變的能量單位也是焓,而不是內能。

至於你提出的三個問題,都是迷惑性很強的問題,我認識也不是完全透徹,歡迎繼續討論,更歡迎大家指出我不對的地方。

1、研究流體是對一個控制體而言的,控制體整體質量守恆,但流動時會有質量交換,推動質量交換維持控制體體積的能量就是pV。

研究流體不一定是對控制體而言的,尤拉(確定空間)和拉格朗日(確定質點)方法是不同的。但不論是那種方法,推動質量交換的本質動力都是壓力p,更準確的說是壓力p乘以面積得到的那個力。壓力推動流體流動的目的不是為了維持控制體體積,只是受到力的作用的流體發生了位移。相應的能量變化/損耗的能量/轉移的能量有些時候是pV(比如定溫恆壓),更多時候不是。有沒有體積變化、有沒有其它傳熱、有沒有軸功(軸功在流動系統中變成了pV的變化)、有沒有內生熱都很重要。

2、那麼如果流體不流動時,比如就研究容器中靜止的流體,流體的能量只包含內能、動能(為0)和重力勢能,不存在pV體積功,即使這時候流體的壓強和體積是客觀存在的並且相乘後的量綱是能量。

流體不流動,但如果體積有變化,還是要管pV。如果沒有體積變化,就不可能有體積功。但本質上,流體蘊含的能量一定是一個狀態量,比如此時的內能啊,焓啊,但功是一個過程量,是不可能被“擁有”的。所以pV存不存在什麼的沒有意義。就算有,也是基於上面“make room”的定義,它作為焓的一部分在創生這個系統的過程中有過意義,現在系統的焓減去這部分pV,就等於內能了。

3、對於固體,實際上要考慮膨脹的話其實也是有體積功的。如果加熱固體,理解成注入固體的能量轉化為固體的內能和對外做的體積功。所以改變物體的內能,如果考慮體積變化,就一定有體積功存在。

固體的體積功,如果有的話,一般也是被忽略的(雖然嚴格意義上說也應該是存在的?但實在是太太太小了我們無法不忽略)。流體的動能和勢能都遠小於內能,固體這點形變就更不用說了。因此,氣體的cp>cv(cp=cv+R),而固體和液體的cp和cv相差就很小了,這也是固液氣三種相的定義來源之一。此外,加熱也不一定導致膨脹。

對於焓是否能這樣理解?FairW2021-03-24 21:30:15

對於焓是否能這樣理解?

之前看到過一個解釋非常好,這裡引用一下。

假設我們要在空無一物的地方變一個兔子,那麼根據能量守恆,所給出要創造一隻兔子的總能量就是焓(H),焓不可測,一般我們都是計算焓變(△H)。所以焓是全部的能量。

那麼焓包括了什麼呢?創造一隻兔子,我們需要提供兩大部分的能量,一是兔子本體的所有能量,比如兔子的生物能,化學能,分子動能,原子核能等,我們統稱這部分能量為內能(U),同樣它也不可測。除此以外還有嗎?還有就是兔子創造在空間中,必定要佔據空間的一部分,那麼空間內原有的氣體就會被排開。又是什麼能量使這些氣體分子運動的呢?這部分能量叫體積功PV。所以焓包括了內能和PV,即H=U+PV。如果沒有物質排開,比如真空中,P=0,PV項=0。

下面就是吉布斯自由能G和熵S的理解了。可以這麼想,假設我們手中握著一團能量(比如三分歸元氣,或者龜派氣功),我們這團能量要想用它做功,比如推動水車使它轉動發電,做功就是指能量的一種形式轉化成另一種形式的過程,我們會發現能量不能夠完全轉化,總有一部分能量是不能做功的,不能做功或者說不能轉化的能量就是熵增TS,也就是永久損耗的能量,又被成為時間之矢(因為熵增反映了時間的流動,宇宙在不斷地變化過程中,熵增會使宇宙中可以利用的能量越來越少,最後會變成熱寂,這也是科學家們所擔心的,好了,說跑題了)。對於內能U,可以轉化為對外做功的這部分能量叫做亥姆霍茲自由能(F),所以U=TS+F。而吉布斯自由能G除了包含了亥姆霍茲自由能F外,還包含了體積功,因為體積功也是功,當然可以轉化。通常我們用的一般都是吉布斯自由能G比較多。所以考慮總能量H,有H=TS+G=TS+F+PV

吉布斯自由能G是非常常用的熱力學函式。比如判定化學反應能否自發進行,△G<0表示可以自發進行,也就是說化學反應的能量可以對外輸出功,但只是熱力學判定。熱力學是指理論上這個反應能否自發進行,動力學是指實際上是否可以進行,要考慮活化能等因素了。△G>0表示需要外部對反應做功,可以理解為需要外部供能理論上這個反應才能發生。這裡要區分一點,就是放熱和吸熱反應是透過△H判定的。△G<0的自發反應可以是吸熱的,即△H>0,同樣非自發反應可也能是放熱的,放熱和放能是不一樣的。

對於焓是否能這樣理解?好大的風2021-03-25 09:21:30

d(

pV

)=

p

d

V

= 體積功,僅在恆壓條件下成立。

pV

本身不是體積功,沒有明確的含義。

同理,

H

也不是能量,也沒有明確的含義,定義

H

=

U

+

pV

也僅僅是為了方便討論和計算恆壓熱效應。

對於焓是否能這樣理解?Jackie Lee2021-03-30 11:25:05

焓是個熱力學概念,最好還是從熱力學角度來理解……在知乎提問前建議善用搜索功能,如果同類問題的回答有搞不懂的,再來問。題主說想從“最樸素的角度”,我覺得熱力學系統就是最樸素的角度,比“流體”和“固體”都要更抽象簡單。

焓有沒有具體的物理意義? - 好大的風的回答 - 知乎 https://www。zhihu。com/question/308637880/answer/573695298焓的物理意義是什麼? - andrew shen的回答 - 知乎 https://www。zhihu。com/question/22390410/answer/21208948

關於題主的三個問題:

pV不應該從質量守恆方面理解,而應該從能量角度理解,這是壓力的做功項。如果題主學過流體力學,把無粘流體的能量守恆方程寫出來就能理解了。

流體不流動時,V不變,壓力不做功。題主想考慮系統的

能量

,然而經典力學裡能量本來就是一個相對量(如內能、重力勢能),重要的是

能量的變化

,動能始終為零,沒必要考慮,和體積功應該是相同的地位。

固體是很複雜的系統,答主沒學過固體物理,不敢亂說。但從熱力學角度可以理解,體積功存在,等壓條件下系統的吸熱等於焓變。

標簽: 能量  pv  體積  內能  流體