Entalpia: definicja, wzór i zastosowania w termodynamice
Entalpia: definicja, wzór i zastosowania — praktyczny przewodnik po obliczaniu ciepła i pracy w termodynamice, z przykładami i zastosowaniami dla inżynierów.
Entalpia to wielkość termodynamiczna używana w nauce i inżynierii do opisu ilości ciepła i pracy wymienianej przez układ, szczególnie przy stałym ciśnieniu. Nazwa pochodzi od greckiego słowa "enthalpos" (ενθαλπος) i została wprowadzona przez Heike Kamerlingh Onnesa w 1909 roku. Entalpia jest pomocnym pojęciem przy analizie procesów takich jak reakcje chemiczne, przemiany fazowe czy przepływowe procesy energetyczne.
Definicja i wzór
Entalpia (H) definiowana jest jako suma energii wewnętrznej układu i iloczynu ciśnienia i objętości:
H = U + pV
gdzie U to energia wewnętrzna, p — ciśnienie, a V — objętość. Z tego wzoru wynika przydatna forma różniczkowa:
dH = dU + p dV + V dp
Zmiana entalpii i ciepło przy stałym ciśnieniu
Jeżeli proces zachodzi przy stałym ciśnieniu i dopuszczalna jest tylko praca objętościowa (pV), to zmiana entalpii równa się wymienionemu ciepłu:
ΔH = Q_p (dla procesu przy stałym p)
W praktyce oznacza to, że w wielu eksperymentach i obliczeniach chemicznych zamiast bezpośrednio liczyć ΔU wygodniej jest obliczać ΔH, ponieważ łatwo jest zmierzyć ciepło przy stałym ciśnieniu.
Interpretacja fizyczna
Rozważmy układ zawierający stałą ilość gazu. Energia cieplna dostarczona do układu może
- zwiększyć energię wewnętrzną gazu (U),
- zostać wykorzystana na wykonanie pracy objętościowej (pΔV) podczas rozprężania.
Entalpia uwzględnia oba te składniki naraz, dlatego jest wygodna przy opisie procesów odbywających się przy stałym ciśnieniu.
Właściwości i związki z innymi wielkościami
- Ciepło molowe przy stałym ciśnieniu: Cp = (∂H/∂T)_p. Z tego wynika, że zmiana entalpii w funkcji temperatury przy stałym ciśnieniu to całka po Cp: ΔH = ∫ Cp dT.
- Dla gazu doskonałego: entalpia zależy praktycznie tylko od temperatury (H = H(T)), więc ΔH można obliczyć z Cp(T) bez uwzględniania zmian ciśnienia.
- Różnica wobec energii wewnętrznej: entalpia obejmuje energię związana z objętością układu w danym otoczeniu (pV), stąd H ≠ U, choć oba pojęcia są ze sobą powiązane.
Entalpia molowa i właściwa
Entalpia może być podana jako wartość całkowita H, jako entalpia molowa Ĥ (jednostka: J/mol) lub jako entalpia właściwa h (jednostka: J/kg). Inżynierowie oraz chemicy często korzystają z entalpii molowej (dla reakcji chemicznych) albo entalpii właściwej (dla procesów przepływowych i wymiany ciepła).
Entalpia reakcji i standardowe wielkości
Entalpia reakcji ΔH_rxn to zmiana entalpii towarzysząca przebiegowi reakcji chemicznej. Jeśli entalpia produktów jest mniejsza niż substratów, proces jest egzotermiczny (ΔH < 0) i wydziela ciepło. Dla obliczeń używa się często standardowych entalpii tworzenia (ΔH_f°) i standardowej entalpii reakcji (ΔH°_rxn). Prawo Hessa pozwala wyznaczać entalpie reakcji z tablic wartości entalpii tworzenia niezależnie od drogi reakcji.
Przemiany fazowe i ciepło utajone
Przemiany fazowe (np. topnienie, parowanie) wiążą się z wymianą entalpii. Ciepło utajone (entalpia przemiany fazowej) to ilość entalpii potrzebna do przeprowadzenia przemiany jednostkowej masy lub mola substancji przy stałej temperaturze i ciśnieniu. Np. entalpia parowania wody w 100 °C wynosi około 2256 kJ/kg.
Zastosowania praktyczne
- Projektowanie i analiza kotłów, turbin, wymienników ciepła i chłodnictwa — inżynierowie stosują entalpię do bilansów energetycznych układów przepływowych.
- Analiza reakcji chemicznych i spalania — obliczanie wydzielonego lub pochłoniętego ciepła (np. entalpia spalania paliw).
- Procesy przemysłowe — wyznaczanie zapotrzebowania na ciepło przy destylacji, suszeniu, kondensacji itp.
- Procesy izenthalpiczne — np. przepływ przez zawór dławiący (throttling) jest często przybliżany jako proces izenthalpiczny (H = const), co ma znaczenie przy projektowaniu układów chłodniczych i gazowych.
Pomiar i tablice
Entalpie wielkich zbiorów substancji (w tym pary wodnej, gazów palnych i związków chemicznych) są zestawiane w tabelach termodynamicznych oraz programach symulacyjnych. W praktyce inżynierskiej korzysta się z tablic pary (steam tables) i baz danych entalpii tworzenia, co upraszcza obliczenia bilansów energetycznych.
Podsumowanie
Entalpia jest wygodną miarą energii dostępnej w układzie przy stałym ciśnieniu, łączącą energię wewnętrzną z energią potrzebną do „utworzenia miejsca” w otoczeniu (pV). Dzięki prostym związkom (H = U + pV, ΔH = Q_p, Cp = (∂H/∂T)_p) entalpia jest powszechnie stosowana w termodynamice, chemii i inżynierii do analiz energetycznych procesów oraz do interpretacji przemian chemicznych i fazowych.
Entalpia i reakcje chemiczne
Kiedy zachodzi reakcja chemiczna, substancja może stać się cieplejsza lub zimniejsza. W rezultacie, ciepło będzie przepływać do rzeczy wokół niej lub z rzeczy wokół niej, aż jej temperatura znów będzie taka sama. Jeśli ciśnienie pozostaje takie samo, ilość ciepła mówi o tym, jak bardzo zmieniła się entalpia.
Na przykład, jeśli benzyna jest spalana na wolnym powietrzu, ciepło jest uwalniane przez benzynę. Jeśli przyjmiemy, że wydzieliło się 100 kilodżuli ciepła, to entalpia benzyny zmniejszyła się o 100 kilodżuli. Zatem zmiana entalpii dla tej reakcji wyniosła ∆H = -100 kJ.
Jeżeli w wyniku reakcji chemicznej wydziela się ciepło (ogrzewając otoczenie), to mówi się, że entalpia reakcji zmniejszyła się. Wartość ∆H jest ujemna. Taki rodzaj reakcji, jak w powyższym przykładzie, nazywamy egzotermiczną.
Jeśli reakcja chemiczna pochłania ciepło (ochładzając swoje otoczenie), to entalpia reakcji wzrosła. Wartość ∆H jest dodatnia. Jest to tzw. reakcja endotermiczna.
Powiązane strony
- Potencjał termodynamiczny
- Entropia
- Swobodna energia Gibbsa
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest entalpia?
O: Entalpia to pojęcie stosowane w nauce i inżynierii do obliczania ciepła i pracy w substancji.
P: Skąd pochodzi nazwa "entalpia"?
O: Nazwa "entalpia" pochodzi od greckiego słowa "enthalpos" (ενθαλπος), które oznacza "włożyć ciepło".
P: Kto wymyślił pomysł i słowo "entalpia"?
O: Holenderski naukowiec Heike Kamerlingh Onnes wymyślił pomysł i słowo "entalpia" w 1909 roku.
P: Jaki jest związek entalpii z energią?
O: Entalpia określa energię zużywaną lub uwalnianą, gdy substancja rośnie lub kurczy się, ale nie jest to to samo co energia.
P: Dlaczego naukowcy często obliczają zmianę entalpii, a nie zmianę energii?
O: Naukowcy często obliczają zmianę entalpii, ponieważ uwzględnia ona energię zużywaną lub uwalnianą, gdy substancja zmienia swój rozmiar.
P: Co się dzieje, gdy energia cieplna wchodzi do układu zawierającego stałą ilość gazu?
O: Kiedy energia cieplna wchodzi do układu zawierającego stałą ilość gazu, może albo zwiększyć energię wewnętrzną gazu, albo doprowadzić do wykonania pewnej pracy w celu rozszerzenia układu.
P: Jak entalpia uwzględnia czynniki ciśnienia i objętości?
O: Entalpia uwzględnia czynniki ciśnienia i objętości, biorąc pod uwagę wykonaną pracę, która jest iloczynem ciśnienia i objętości.
Przeszukaj encyklopedię