Енталпията е термодинамична величина, която се използва, когато трябва да се изчисли обменът на топлината и на работата при процеси, протичащи при постоянно налягане или при открити системи. Името идва от гръцката дума enthalpos (ἐνθαλπία). Понятието и терминът за енталпията са въведени от холандския физик Хайке Камерлинг Оннес около 1909 г.
Дефиниция и основна формула
Енталпията H на система се дефинира като:
H = U + pV
където U е вътрешната енергия на системата, p — налягането, а V — обемът. Енталпията е функция на състоянието (state function) и обикновено се измерва в джоул (J) в SI.
Диференциална форма и връзка с топлината
При малки промени в състоянието:
dH = dU + p dV + V dp
Според първия закон на термодинамиката за затворена система (и като се счита само PV-работа) имаме dU = δQ − p dV. Оттук следва:
dH = δQ + V dp
При процес при постоянно налягане (dp = 0) това дава важно практично следствие:
ΔH = Q_p — промяната в енталпията е равна на обменената топлина при постоянно налягане.
Забележка: ако в процеса извършва друга (не-PV) работа или налягането не е постоянно, пряката връзка между ΔH и топлината се променя.
Специфични и моларни величини; топлинен капацитет
- Моларна енталпия h_m = H / n (n — количество вещество, в молове).
- Специфична енталпия h = H / m (m — маса), използва се в инженерни изчисления (единици J/kg).
- Топлинният капацитет при постоянно налягане се определя като: C_p = (∂H/∂T)_p. За идеален газ, при приемане на C_p постоянен, ΔH = n C_p ΔT.
- За идеален газ енталпията зависи само от температурата и е свързана с C_p и C_v чрез известната връзка C_p − C_v = R (R — газова константа).
Знаение и приложения
Енталпията е ключово понятие в химията и инженерните науки. Някои важни приложения:
- Калориметрия: измерване на топлинните ефекти при химични реакции и физични промени при постоянно налягане.
- Термични процеси: изчисляване на топлинни баланси в парни турбини, котли, топлообменници (използва се специфична енталпия).
- Фазови промени: при плавене или изпарение получената или отделената топлина (латентна топлина) е равна на промяната в енталпията при постоянен натиск.
- Химични реакции: енталпията на реакция (ΔH) определя дали реакцията е ендотермична (ΔH > 0) или екзотермична (ΔH < 0).
- Стандартни стойности: стандартна енталпия на образуване ΔHf° и енталпия на горене — важни таблицови стойности за изчисления чрез закона на Хес.
Енталпия на реакция и закон на Хес
За химична реакция стандартната промяна на енталпията може да се изчисли чрез стандартните енталпии на образуване на продуктите и реагентите:
ΔH°_реакция = Σ ν_p ΔHf°(продукти) − Σ ν_r ΔHf°(реагенти)
Законът на Хес гласи, че енталпийният ефект на реакцията е независим от пътя, по който протича реакцията — зависи само от началното и крайното състояние.
Примери
- Загряване на идеален газ при постоянно налягане: въведената топлина Q = n C_p ΔT = ΔH.
- Изпарение на вода при 1 atm: топлината на изпарение L = ΔH_vap (латентна топлина) — положителна стойност (ендотермичен процес).
- Горенето на метан: реакцията е екзотермична и има голямо отрицателно ΔH°_горене.
Практични бележки и ограничения
- Енталпията е абстрактна термодинамична функция — не може да бъде измерена директно; измерва се чрез промени (ΔH).
- Превръщането на ΔH в еквивалент на обменена топлина е вярно при константно налягане и при липса на други форми на работа освен PV-работата.
- В инженерни приложения често се работи с таблици или диаграми на специфична енталпия (например при водна пара) за бързи изчисления.
Обобщено: енталпията отчита вътрешната енергия на системата и енергията, свързана с обема на системата при налягането p. Това прави H удобна за анализ на топлинни процеси при постоянен натиск и за изчисляване на топлинните ефекти при химични и фазови промени. В практиката често се работи с промени в енталпията (ΔH), а не с абсолютни стойности.