焓_物理化学就这么简单.doc

物理化学就这么简单！（长篇连载之“熵”） 物理化学的一大难点就是熵的引入，为了让大家更好的理解，鄙人把熵的傻瓜教程分为几个部分。1 体系和环境一般的教程只是泛泛地根据能量和物质交换是否分为隔离体系、封闭体系和敞开体系（如下表），对其根据没有更深的解释，导致学生理解出现偏差。? ? ? ? 物质? ? ? ? 能量隔离体系? ? ? ? 无? ? ? ? 无封闭体系? ? ? ? 无? ? ? ? 有敞开体系? ? ? ? 有? ? ? ? 有其实，隔离体系、封闭体系都是理想情况。对宇宙而言，体系的物质和能量都毫无变化是不可能存在的，这都容易理解。如何理解，体系的物质也是不断变化的呢？我们知道，任何物质都有蒸汽压，包括黄金和金刚石。存在蒸汽压意味着什么？变成空气！气体单分子又可以通过任何物质，因为任何物质的分子间距离都远远大于单分子的直径。我们也可以这么理解，每一滴海水中都包含所有的化学元素（辐射性元素另谈）。所以“单分子可以通过任何物质”不仅是理论可以行得通的，而且实践事实也证明了这一点。所以，在宇宙中，我们研究的任何体系都是敞开体系，隔离体系和封闭体系都是一种理性情况（当然，隔离体系更理想）。2熵的本质一般教材解释熵焓时，都通过气体来解释，为什么？其实很简单，把气体当作一种体系来研究时，就很好解释功、内能的变化。比如说，气体等温膨胀，对外界做功，内能不变，焓减少。但用气体来解释就带来一种后遗症，学生在后面理解液体和固体体系时，就不免出现疑惑，液体和固体如何做功呢？其实，任何物质（包括液体和固体）都时可以做功的，当然包括负功。因为任何物质都具有能量，既然能量可以变化，那么任何物质都具有吸收和释放能量的能力。所以液体和固体也可以做功。举一个简单的例子，木星在宇宙中的大小就好像我们肉眼中的一个分子差不多，但它若是对地球做功，我们都是GAME OVER！既然任何物质都可以做功，我们只要吸收一般教程的精华就可以了。得出了焓的定义：H=U+W，也就是说，焓是体系内能和体系所做功之和。很简单。先插入内能的定义。一般教程内能的定义是这样的，“内能是体系内部能力的综合，其中包括分子的平动能、转动能、振动能、电子能和原子核的能量以及体系内分子间的相互作用能等”。好，我们不理会这定义的正确性和合理性。我们只要理解这两点就可以了。一，? ? ? ? 内能是无法完全认识清楚的，就像宇宙和大脑，宇宙怎样呢？谁也不清楚，只能说是“时间和空间的集合”；大脑如何呢，我们睡觉的时候，都是每秒发生几亿次化学变化，看帖的时候化学变化就更不可思议了，所以我们不管内能是什么，反正无法完全认识，也许还没到那天，人类都成为过去式了。 二，? ? ? ? 第二点需要注意的是，在这个笼统的定义“内能是体系内部能力的综合，其中包括分子的平动能、转动能、振动能、电子能和原子核的能量以及体系内分子间的相互作用能等”中，我们发现，不知道前人是有意识还是无意识的把内能定义为体系内部的动能，而没有更多考虑，甚至不考虑内部的势能。因为光从“体系内分子间的相互作用能等”这点势能是根本无法概括如此之多的势能的。因此我们得另找一个定义来表述这种势能。我们可以称之为“熵”。我们首先不管这种定义的错对，光从物理化学的本质（通过物理手段研究化学）而言，我们是成功的。好，我们证明这种假设的合理性。3 关于假设“内能是体系内部全部的动能，熵是体系内部全部的势能”的证明3.1 从焓的定义看假设的合理性H=U+W，如前所证明一样，U是体系内部的动能，而W无疑就是体系的宏观势能（因为在物理花序中，我们研究的体系都是静止的宏观物质，没有宏观动能），那么很好，对于一个理想的封闭体系而言，H=U+W是放之四海而皆准的，那么我们就没有必要引入熵的概念了。因为能量没有损耗，做了功，只是能量发生变化，功能又可以相互转变，所以对于封闭体系而言，没必要引入熵的定义。正如前面所证明的一样，封闭体系是一种理想情况。事实上，任何体系都受到无范围的和无穷变化的宇宙的影响，这种相互作用的结果势必造成宇宙的平衡，包括物质的均匀和热量的均匀。姑且不考虑宇宙因此产生的诞生和死亡一说，我们可以肯定的是，体系的能量是在不断变化的（现在暂且把这种变化界定为“减少”），那么在宏观上而言（为什么说宏观上，因为比方说，分子的动能可以通过测量分子的质量的速度来计算），内能（体系内部全部的动能）并没有发生大的改变，或者说这种变化远远解释不了体系的总体能力变化，那么就势必存在另外一种变化，那结论是势能的变化。这种势能的变化被称之为熵增大原理。那么我们首先看看一般教材种熵的组成，“熵是混乱度的表现形式，主要由平动熵、转动熵和振动熵组成”。那么好，为什么出现平动、转动和振动的混乱呢？很好理解，