Енталпия — определение, формула и значение в термодинамиката
Енталпия — ясно определение, ключова формула и практично значение в термодинамиката. Научете как промяната на енталпията влияе на топлина и работа.
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.
Енталпия и химични реакции
При химична реакция дадено вещество може да стане по-топло или по-студено. В резултат на това топлината ще преминава към нещата наоколо или от тях, докато температурата на веществото отново се запази. Ако налягането остане същото, това количество топлина показва колко се е променила енталпията.
Например, ако бензинът се изгаря на открито, той отделя топлина. Ако предположим, че са се освободили 100 килоджаула топлина, то енталпията на бензина е намаляла със 100 килоджаула. Следователно промяната в енталпията за тази реакция е ∆H = -100 kJ.
Ако при дадена химична реакция се отделя топлина (затопля се околната среда), тогава се казва, че енталпията на реакцията е намаляла. Стойността на ∆H е отрицателна. Този вид реакция, като примера по-горе, се нарича екзотермична.
Ако дадена химична реакция поглъща топлина (охлаждайки заобикалящата я среда), тогава енталпията на реакцията се е увеличила. Стойността на ∆H е положителна. Това се нарича ендотермична реакция.
Свързани страници
- Термодинамичен потенциал
- Ентропия
- Свободна енергия на Гибс
Въпроси и отговори
Въпрос: Какво представлява енталпията?
О: Енталпията е понятие, което се използва в науката и техниката за изчисляване на топлината и работата в дадено вещество.
В: Откъде идва името "енталпия"?
О: Наименованието "енталпия" идва от гръцката дума "enthalpos" (ενθαλπος), която означава "влагам топлина".
В: Кой е измислил идеята и думата "енталпия"?
О: Холандският учен Хайке Камерлинг Онес създава идеята и думата "енталпия" през 1909 г.
В: Как се отнася енталпията към енергията?
О: Енталпията отчита енергията, която се използва или освобождава, когато дадено вещество расте или се свива, но не е същото като енергия.
В: Защо учените често изчисляват промяната в енталпията, а не промяната в енергията?
О: Учените често изчисляват промяната в енталпията, защото тя отчита енергията, която се използва или освобождава, когато дадено вещество променя размера си.
В: Какво се случва, когато топлинната енергия постъпва в система, съдържаща фиксирано количество газ?
О: Когато топлинната енергия постъпва в система, съдържаща фиксирано количество газ, тя може или да увеличи вътрешната енергия на газа, или да доведе до извършване на работа за разширяване на системата.
В: Как енталпията отчита факторите налягане и обем?
О: Енталпията отчита факторите налягане и обем, като отчита извършената работа, която е произведение от наляганията и обема.
обискирам