焓及焓变的物理意义的高中教学方法探讨

摘要：高中教材中关于焓与焓变的概念引入存在瑕疵。借助公式推导展示焓变的物理意义，并从中阐述反应热等于焓变的前提条件。探究焓的物理意义在不同大学教材的表述，基于高中生的认知规律，借助一个假想实验，提出了一种直观形象的角度解释焓的物理意义——创造系统本身所需的能量（U）加上恒压的环境中为系统创造空间所消耗的能量（pV），有助于消除高中生对焓的陌生感和理解焓与内能的区别与联系。

关键词：焓；焓变；物理意义；假想实验；

焓及焓变是热化学中的基础概念，重要却晦涩难懂。学生认为焓和内能似乎都是与物质能量相关的物理量，但无法分辨两者的差异；教师也很难向高中生阐述清楚焓的物理意义。本文希望能为焓和焓变的高中教学提供一种新的方法和思路。

1  高中教材中焓与焓变的概念引入存在瑕疵

高中初见焓是在选择性必修一。人教版从概念相近的内能入手介绍焓：

“化学反应为什么会产生反应热？这是因为化学反应前后体系的内能（符号为U）发生了变化……为了描述等压条件下的反应热，科学上引入了一个与内能相关的物理量——焓（符号为H）。研究表明，在等压条件下进行的化学反应（严格地说，对反应体系的做功还有限定，中学阶段不考虑），其反应热等于反应焓变……”[1]

先把焓与学生熟悉的内能挂钩，接着避开焓本身，只谈焓变，立刻同等压吸热放热联系起来。学生能感受到焓与内能的联系，却不能分清焓与内能的差别，容易将两者混为一谈。如果教师无法向之阐释清楚焓和内能的差异，学生只能在做题中反复使用至被动接受。

2  焓变的物理意义阐述和教学策略

焓变是有明确的物理意义的。在大学无机化学教材中[2]，往往先介绍了热力学第一定律，紧跟着恒压热的推导：

若只做体积功，

若是恒压过程，系统的内压恒等于外压且始终保持不变，即

由于U、p、V都是状态函数，则定义一个新的物理量焓也是状态函数，则

由推导可见，焓变的物理意义非常清楚，在恒压过程封闭系统只做体积功时的热效应。换言之，在该过程中系统吸收的热量全部用来增加系统的热焓。化学反应中最常见的就是恒压只做体积功的过程，所以用焓变∆H来比较不同反应所能释放的能量既科学又方便。大多数中学教师教学时并不会带领学生推导，并且大多数教材也并不会强调只做体积功这一重要条件，建议教学中适当引入推导过程，并引导学生思考恒压过程的原电池是否焓变仍等于热效应。

3  焓的物理意义探究

焓是否存在明确的物理意义尚有争议，有些学者认为没有物理意义，有些认为有意义。

一些教材认为焓虽然具有能量单位，但并不像内能一样能分解成动能、势能、化学键能、核能等具有明确的物理意义的能量分块，且在热学学科历史上，焓的发明引入的确是为了计算方便人为引进的关系式：

黄福赐在《工程热力学原理和应用》[3]中写到：“本质上参量焓的意义纯粹是为了运算上的方便，它之所以提出，完全是作为一种方便的手段，把在热力学方程中反复共同出现的几个热力特性参量合并一起。”

坚持认为焓有物理意义的学者也不在少数。张传磊发问：“如果焓没有特定的物理意义，焓变的物理意义从何而来呢？对于H=U+pV，pV处在与具有明确物理意义的内能U的并列地位，必然是有其深刻的物理原因的。”[4]所以持此观点的学者都把关注点放在寻找pV乘积项的物理意义。

《雅氏工程热力学》中写到：“焓可以看作是气体的能量，即气体的内能和压力势能之和”。[5]

王伯年从热力学第一定律出发[5]，明确地提出，只要压力场是定常的，就可以赋予pV以压力势能的概念，因而在此条件下，焓就是内能与压力势能之和。

可见认为焓有物理意义的学者都将焓划分为两部分能量：内能和压力势能。

4  借助假想实验阐述焓的物理意义

焓是内能和压力势能之和，如果能将之科学的具象化将极大提高可理解度。以下借助一个假想的实验，将焓的两部分能量进一步具象化：创造系统本身所需的能量U（内能）+恒压的环境中为系统创造空间所消耗的能量pV（压力势能），试图向高中生阐释内能与焓的区别与联系。

假想实验如下：

情境1：先构建一个参照系统（图1）：一个体积为V的绝热的玻璃罩罩住部分空气，把罩内空气（蓝色）作为一个系统来研究，玻璃罩外是环境（黄色），环境压强保持不变，恒等于p，显然罩内空气的压强即系统压强也是p。罩内的气体分子不停地做着无规则运动，具有动能，气体分子间有作用力，具有势能，这两部分和在一起是系统的内能U。

图1 构建参照系统

情境2：假设起初玻璃罩内是真空环境，什么都没有（始态图2.1）。但有一只神奇的手（图2.2），能创造（不是搬运）一个个气体分子，把它们放进罩内，让它们重新有了动能和势能，重现和情境1一模一样的系统状态（图2.3），这时这只神奇的手消耗的能量就等于这部分空气具有的内能U。

图2.1 玻璃罩内初始为真空环境（始态）

图2.2 创造分子并放入罩内（过程）

图2.3   重现参照系统（终态）

情境3：现在没有玻璃罩，那么也没有玻璃罩隔离出来的真空的空间（始态图3.1），黄色气体的压强为p。一只神奇的手能创造（不是搬运）一个个气体分子放到原来的位置，每放一个，体积就增大一点，此时需要克服环境的压强p做功（过程图3.2）。如此重现和情境1一模一样的系统状态（终态图3.3）。这只手消耗的能量比情境2多了一部分——为系统创造空间而克服外界压强所做的功pV。这只神奇的手消耗的总能量就等于系统的焓H。

图3.1 没有玻璃罩占据空间位置（始态）

图3.2 创造分子放回原位（过程）

图3.3 直到重现参照系统（终态）

经过情境1构建参照系统，情境2和情境3不同的初态条件的设置，神奇的手通过不同的过程达到完全相同的终态，展示了一种新的角度阐释焓的物理意义：焓包括两部分能量之和：“创造系统本身所需的能量即U ”和“ 在恒压的环境中为系统创造空间所消耗的能量p×V”——后者就是学者认为的压力势能。。

5  结论

高中学生常常无法区分焓与内能或物质能量的差异，导致焓及焓变的概念理解一直是贯穿学习生涯的难解之谜。焓变有明确的物理意义，指化学反应恒压条件下只做体积功过程的热效应。只要学生具有高中物理的热学选修基础，是完全可以理解焓变的推导的，并且建议教学中引导学生思考原电池这一类做电功的恒压过程是否焓变仍等于热效应。焓的物理意义是否存在虽然大学教材仍有争议，但有部分学者认为焓可以划分为内能和压力势能。本文创新的借助一个直观的假想实验，向学生阐释了焓实际上包括两部分能量之和：创造系统本身所需的能量（U）和在恒压的环境中为系统创造空间所消耗的能量（pV）——后者就是学者认为的压力势能。这将有助于消除高中生对焓的陌生感和理解焓与内能的区别与联系，使高中生对热力学基础概念的认知更加完整科学。

参考文献

[1] 普通高中教科书 化学选择性必修1 化学反应原理.  北京：人民教育出版社.2019, 6-7

[2] 华彤文；陈景祖等. 普通化学原理. 北京：北京大学出版社，2025,83-84

[3] 黄福赐；谢益棠.工程热力学原理和应用.北京: 电力工业出版社,1982

[4] 张传磊.关于无机化学课程中焓及焓变物理意义的教学探讨 .化工管理.2019,(07):23-24

[5] 王伯年.论焓的物理意义.上海机械学院学报.1985,(4) :27-34

【本文系广东省科教与科学规划2025年度中小学教师科研能力提升计划项目“具身视域下中学拔尖创新人才全科阅读开发与实践”（课题编号：2025YQJK0331）成果之一】