汽化的热能量和焓.PDF

136 汽化的热、能量和焓 主题 A ．“对于由液体转化为气体的相变，需要传递一定量（与温度有关）的热量 Qlg 。” B ．“对于液体的汽化，需要汽化焓。热从环境或液体中抽取。” C ．“使物体从液态变成气态所需的热能叫做汽化的潜热。[……] 潜热这一 名称有时也叫做转化焓。” D ．“在汽化中，必须克服分子引力做功，从而消耗热。将质量为1g 的液体 在恒温下汽化所需的热量叫做比汽化热λ 。[……] 汽化热包括内外两部分。外面 的部分用于从初始体积增大到1g 水蒸汽的体积[……] 。” E ．“同样，在液体变成气体的过程中，把物体分离为粒子时也需要能量。熔 解或蒸发过程需要能量，其原因是组成物质的粒子间存在相互吸引的电力。在这 个过程中所加的能量后来作为粒子间的势能储存在物质中，即储存在所谓的热力 学系统中。” F ．“水在蒸发时，水分子不断地分离。在这个过程中，它们必须克服相互间 的引力，它们也必须把空气推开。它们这样做所需的能量通常来自于加热装置 [……]额外的能量储存在水蒸汽中。在凝结过程中，能量被传递到别的物体 [……] 。” 缺点 尽管上述作者以不同的方式来表达，他们都用了一个不合适的量来述这个 过程，这个量就是能量。上面所引用的话都以不同方式暴露出不一致性。 1. 我们来看A ：“对于由液体转化为气体的相变，需要传递一定量（与温度 有关）的热量Qlg 。”也许有人会继续说：“因为气体比液体含有更多的热。”但情 况并不是这样。 也许有人会认为这是对的，因为在别的背景下根据A 这句话可以得出这样的 结论。 为了给墙壁涂漆，我们需要一定量的油漆。显然，油漆先在桶里，然后在墙 上。 然而，由于以下两个原因，相变的情况并不是这样的： 1 ●其主要原因是，热是过程量，热并没有分布在各处。对于过程量我们很难 用合适的语言来表述其数学性质，也很难给出相应过程的直觉图象。 ●“以热的形式”所供的能量一旦被供后并不分布在我们想要找的地方， 只有很小部分分布在气体中，剩下来的部分进入了跟相变没有多大关系的系统 （引力场）中。 （对已经忘记上述结论或还不知道上述结论的读者，我们来详细叙述一下： 由于1kg 水蒸汽比1kg 液态水含有更多的能量，因此，在所供的能量中，有一 部分进入到了水蒸汽。但也不是所有能量都进入了水蒸汽，还有一部分能量用于 “升空气”。水蒸汽比水需要更大的空间。这部分能量最后储存在引力场中。） 2. 也许有人会认为 B 是对的：所供的能量不等于汽化后的物质所增加的 能量，而等于它的焓的增加量。然而，这样能让人们理解吗？“所需的焓”是什 么意思？它表示所需的焓取自其他某一地方。然而，这是不正确的。从其他地方 所获取的不是焓，而是能量。 3. 写 C 的作者想告诉读者，热和汽化焓是同一物理量的两个不同名称。但 这是错的。人们试图向学生解释过程量的意义的全部努力受到了挫败。 4. 根据 D ，汽化热包括两部分：“外面的部分”和“里面的部分”。如果某 物有两部分组成，我们就有可能用某种方法来区分它们。然而，在这里情况并非 如此。如果自来水既用于饮用也用于冲洗，我们不会说自来水由饮用水和冲洗水 两部分组成。 5. 中学教科书的作者都知道，我们不能将上述所引用的内容显示给中学生。 （其原因不是因为学生不聪明。）这是为什么中学教科书的作者们总是将内容定 在安全的范围内的原因。请看E 和F ：这里作者没有及过程量热量和功，也没 有及勒让德变换焓（Legendre transform enthalpy ）。作者只及性能很好的状态 变量能量。然而，问题仍没有得到解决。实际上，这是忽略了进入引力场的那部 分能量（见E ）。有人也许会对这一忽视辩解，认为这仅仅是一个多余的副作用。 在F 中，到了这个副作用。在我们看来，这是讨论这个主题最好的方法。 然而，在这里有些事情进展得并不那么容易。下面让我用一个寓言故事来解释一 下。 有人想比较建造不同的吊桥所需的钢材。这几种吊桥具有相同的长度和相同 的最大允许负荷量等，但具有不同