高等熱力學
焓(enthalpy)
想像在開放空氣中吹氣球。氣體要膨脹,不僅要儲存自身的內能,還必須把周圍的大氣推開,光是「騰出空間」就得對外界作功 p V。焓(enthalpy)正是把兩者一起記帳的量:系統內部真正擁有的能量,加上在環境壓力下佔據空間所需的推擠功。它回答的問題是:若讓系統在定壓下自由膨脹,我必須供給多少熱?
焓的正式定義為 H = U + p V,其中 U 為內能、p 為壓力、V 為體積。它的自然變數是熵 S 與壓力 p,微分式為 dH = T dS + V dp(對開放系統再加 mu dN)。因此焓是內能的勒壤得轉換(Legendre transform),把體積 V 換成其共軛變數壓力 p。對於只有 p V 功的定壓過程,dH 等於交換的熱,故定壓熱容為 C_p = (dH/dT)_p。
凡是在定(大氣)壓下量測熱的場合都會遇到焓:化學反應熱(放熱表示 delta H < 0)、相變潛熱,以及渦輪、節流閥、熱交換器等穩流裝置,其中焦耳-湯木生(Joule-Thomson)膨脹即為等焓過程。一個常見陷阱是把 H 一概稱為「熱含量」——熱並非狀態函數,只有在定壓且無其他功的前提下 dH 才等於熱。
在定大氣壓下加熱一莫耳理想氣體。使溫度升高 delta T 所需的熱為 Q = C_p delta T = delta H;其中 p delta V = R delta T 這部分熱又以推開大氣的功離開系統,其餘 C_v delta T 留作內能。因此理想氣體有 C_p = C_v + R。
在定壓下,供給的熱等於焓變,而非內能變化。
焓是系統本身的狀態函數;p V 項由系統自己的壓力與體積構成,因此即使過程並非定壓,H 仍有明確定義——需要定壓條件的只是把它解釋為交換熱這一點。
又稱
另見