焓和熵的區別

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介紹

熱力學是一門研究熱與功之間關係的學科。要很好地理解它，就必須深入探討兩個概念：熵和焓。本文將以有序的方式討論熵和焓的基本定義以及它們之間的區別。簡單來說，熵是衡量混亂程度的指標；另一方面，焓表示系統的總熱量。

什麼是熵？

熵是一個可測量的物理量，表示系統無序程度。任何物質或介質——流體或固體，都是由分子組成的。分子越無序和隨機，熵就越大。因此，可以轉化為功的熱量就不會太多。這樣，我們可以說熵是熱量的函式。最初，這個概念被稱為“熱勢”。後來，克勞修斯在他的熱力學第二定律陳述中，將其定義為可逆過程中熱量的微小變化與瞬時溫度之比。

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

如果分子的隨機性較小，則熵的變化也較小。因此，固體的熵通常小於流體。系統加上週圍環境的熵總是增加的。這意味著宇宙的熵總是在增加。

例子

我們周圍可以看到熵變化的各種例項。在日常生活中，我們看到宇宙總是趨向於熵增加，即隨機性增加的方向。一些來自日常生活的例子如下：

• 滲透——當我們在一個封閉的安靜房間裡點燃一根香時，產生的煙霧總是傾向於擴散。由於分子獲得了隨機性和無序性，它會自行膨脹。這是熵增加的一個例子。我們永遠不會看到煙霧自行沉降並集中在一個地方。

• 溶解也會導致熵增加。固體實際上處於高度有序的狀態，溶解後會進入更無序的狀態。將糖溶解在水中會增加系統的能量，因為系統的隨機性增加，因此熵也增加。

• 篝火也是熵的一個例子。燃料——通常是固體木材、紙張或稻草，燃燒並變成灰燼，灰燼的無序程度更高。此外，還會釋放出煙霧和各種氣體，如二氧化碳。原子以擴充套件的形式擴散，無序性增加，因此據說熵增加了。

• 從一種狀態到另一種狀態的相變過程也會導致熵的變化。處於固態的冰塊比熔化後的水具有更高的有序性和更低的熵。宇宙本身永遠不會推動凍結過程，即熵的減少。

什麼是焓？

焓是熱力學系統的屬性，表示系統中總的熱量變化。根據熱力學第一定律，它是內能和壓強與體積乘積之和。瞭解化學反應中焓發生了多少變化非常重要。我們無法直接測量系統的總焓，因為內能中有一些未知引數。相反，我們測量焓的變化，以便我們更容易理解過程。從數學上講，它可以表示為

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

這裡，U 是內能，P 是壓強，V 是系統的體積。此外，測量焓的變化也有助於我們確定反應是吸熱反應（吸收熱量）還是放熱反應（釋放熱量）。需要注意的另一重要事項是，反應步驟的順序或反應步驟的數量不會影響反應焓變的值。

例子

焓在現實生活中有很多應用和例子。其中一些可以列舉如下：

• 食品品牌和行業計算食物透過體內葡萄糖鍵斷裂釋放多少能量，從而控制所售食品的卡路里數量。

• 汽車行業也檢查發動機在消耗一定量的燃料時使用了多少能量。簡單來說，他們使用焓和能量變化來為汽車做出高效的能源選擇並節省資金。

• 冰箱壓縮機也是焓的應用。壓縮機中的製冷劑化學物質汽化，導致在吸熱反應中吸收熱量。

熵和焓之間的關係

根據上面討論的定義，可以將熵和焓的變化關聯起來，如下所示

當焓變為負值時：$\mathrm{\Delta}$H = -ve，我們說熱量傳遞到周圍環境，即放熱反應。這是一個穩定的系統，因此是自發的。這意味著周圍環境的熵也增加了。

而當焓變為正值時：$\mathrm{\Delta}$H = +ve，我們說熱量從周圍環境新增到系統中，即吸熱反應。這意味著周圍環境的熵減少了。

為了將反應的自發性與 H 和 S 完美地聯絡起來，使用以下關係

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

此方程稱為吉布斯-亥姆霍茲方程。在此方程中，$\mathrm{\Delta}$G 是自由能的變化。對於任何自發反應發生，$\mathrm{\Delta}$G 總是負的。

熵和焓的區別

序號	熵	焓
1	它是一種熱力學可測量屬性	它是一種能量
2	它是衡量隨機性的指標	它是衡量系統總熱量含量的指標
3	系統總是傾向於最大化熵	系統總是傾向於最小化焓
4	其單位為 $\mathrm{JK^{1}}$	其單位為 J$\mathrm{mol^{1}}$
5	用符號 S 表示	用符號 H 表示

結論

焓和熵是熱力學中的重要術語，在檢查反應的有利性和自發性時密切相關。雖然焓是衡量熱量含量的指標，而熵是衡量系統隨機性的指標，但它們之間也存在許多差異。

常見問題

Q1. 什麼是赫斯定律？

答：根據赫斯定律（恆定熱量總和定律）的陳述，無論反應中有多少步驟，或者這些步驟的順序如何，反應的總焓變都是每個步驟單獨計算的所有焓變之和。

Q2. 影響反應焓變值的主要兩個因素是什麼？

答：反應物的溫度和物質的相態。物質的不同相態會導致具有特定化學成分的反應物在經歷相變過程後不一定以相同的方式傳遞熱量。

Q3. 為什麼宇宙的熵在增加？

答：在每一時刻，自然界都在膨脹，其能量也在增加。熵是衡量能量和隨機性增加的指標，能量在每一時刻都在膨脹和擴散。因此，自然界是自發的，宇宙的熵在增加。

Q4. 什麼是絕對熵？

答：絕對熵是指將系統從絕對零度溫度升高到某個較高溫度時熵的變化。

Q5. 如何判斷一個反應是否有利？

答：當 $\mathrm{\Delta S}$ 為正時，即熵增加，這意味著系統變得更加無序，這對反應的發生是有利的。但是，當反應的 $\mathrm{\Delta S}$ 為負時，熵減少，這對於反應的發生不是自然有利的條件。