对物理化学中的“热力学”的分析

摘 要：物理化学中的“热力学”是相当抽象而充满逻辑性的科学知识，学生在理解和掌握的过程中普遍感到难度较大。怎样完成物理化学中的“热力学”教学，是每一位物理化学教师必须切实解决的问题，文章对物理化学中热力学涉及到的基本概念，以及热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律以及第零定律等内容进行了系统的分析，为教师帮助学生从本质上认识“热力学”知识，真正掌握“热力学”知识提供了参考。

关键词：物理化学 “热力学” 基本概念 定律

物理化学中的“热力学”是以热力学定律为基础，以宏观系统为研究对象的现代科学。作为物理化学教师，要想在教学过程中让学生完全掌握“热力学”知识，准确把握热力学函数，并且将其应用在科学实践之中，必须对物理化学中的“热力学”认真进行分析，系统掌握“热力学”知识，采取有效的教学手段，让学生从本质上认识热力学能、焓、熵、亥姆霍兹函数、吉布斯函数以及热力学定律等基础知识，对于帮助学生真正掌握“热力学”知识具有十分重要的作用。

一、热力学涉及的基本概念

1.热力学能

热力学能（internal energy）又称内能（internal energy），它是指系统内部所有微观粒子各种运动状态下的能量之和。包括分子运动的动能、分子相互之间的势能、分析内部和原子核内部的能量等多种能量。热力学能是系统状态函数的一种，常用U表示。其表达式为：

ΔU=Wa

其中：

ΔU-内能的变化量

Wa-绝热状态下外界对系统所作的功

从定义上来讲，热力学能是一个相对量，在热力学中主要关注其能量值的变化情况。

2.焓

焓（enthalpy）又称热焓，是单位质量物质所包含的全部热能，单位为H。其表达式为：

H=U+pV

其中：

H-焓

U-热力学能

P-压强

V-体积

3.熵

熵（entropy）是热能除以温度得到的商，标志着热量转化为功的程度。作为体系状态参数，熵的值和所达到状态的过程没有任何关系，单位为S，其表达式为：

dS＝dQ/T

其中：

dS-熵增

dQ-系统增加的热量

T-物质的温度

4.亥姆霍兹函数

亥姆霍兹函数（Helmholtz function）又叫亥姆霍兹自由能（Helmholtz free energy）也是非常重要的热力学函数，常用A或者F表示，等于内能和绝对温度与熵的乘积的差，即：

A=U-TS

其中：

U-热力学能

T-系统热力学温度

S-系统的熵

5.吉布斯函数

吉布斯函数（Gibbs function）又称吉布斯自由能（Gibbs free energy），是“热力学”中应用非常广泛的状态函数，常用G表示，其定义式为：

G = U- TS + pV = H-TS

其中：

U-热力学能

T-温度

S-熵

P-压强

V-体积

H-焓

在上述几个物理量中，热力学能和焓主要是用来解决衡量能量大小的问题，熵、亥姆霍兹函数和吉布斯函数主要是帮助衡量过程进行的限度和方向，其中热力学能和熵是直接通过热力学定律引导出来的函数，其物理含义非常明确，而焓、亥姆霍兹函数和吉布斯函数则是组合而成的函数，本身不存在物理含义，引入他们的最终目的是在计算和讨论的过程中比较方便。

二、热力学定律

热力学定律是“热力学”中非常重要的定律，对于解决热力学问题具有非常重要的意义。热力学定律主要有：热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律以及第零定律等。

1.热力学第一定律

热力学第一定律又称能量守恒定律。其意义可以表述为，所有物体都具有能量，能量可以进行形式之间的转换或者进行物体与物体之间的传递，但是在转换或者传递的过程中总能量保持不变。其关系式为：

ΔU = Q+ W

其中：

Q-和环境之间交换的热

W-和环境之间交换的功

2.热力学第二定律

对于热力学第二定律，不同的学者表述的内容不同，有的学者将其表述为“不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响”；有的学者将其表述为“不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响”，无论是第一种表述，还是第二中表述，从本质上来讲，热力学第二定律的本质为“不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零”。其关系式可以表述为：

ds≥δQ/T

3.热力学第三定律与第零定律

热力学第三定律的内容为绝对零度是不可达到的。热力学第零定律就是假如两个热力系中的任何一个都和第三个热力系处于热平衡状态，那么这两个热力系也处于热平衡状态。

三、小结

总之，作为物理化学教师，只有准确把握“热力学”的状态函数以及热力学定律，并引导学生从概念上进行正确认识，并进而引导学生掌握概念之间的逻辑关系。只有这样，才能不断引导学生掌握具有较强逻辑性的“热力学”知识，为培养物理化学人才打下坚实的基础。

参考文献

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[2]彭庆蓉，高海翔，张春荣，王红梅，等.讲授大学化学中热力学第二定律的探讨[J].大学化学，2011，02.

[3]魏蔚，吴建琴，马晓栋.关于热力学第一定律的讲述[J].新疆师范大学学报（自然科学版）.2011，04.

作者简介：赵群，年龄，22，男，汉，籍贯：福建福州，学历：本科 研究方向：化学。