Entalpija: apibrėžimas, formulė ir reikšmė termodinamikoje
Entalpija: aiškus apibrėžimas, formulė ir reikšmė termodinamikoje — kaip skaičiuojami entalpijos pokyčiai, praktiniai pavyzdžiai su dujomis ir taikymai inžinerijoje.
Entalpija – tai termodinaminė veličina, plačiai naudojama moksle ir inžinerijoje, kai reikia apibrėžti ir apskaičiuoti šilumą bei darbą. Pavadinimas kilęs iš graikų kalbos šaknies enthalp- (susijusios su šiluma); terminas įvestas XX a. pradžioje Heike Kamerlingh Onnes (1909).
Kai sistema keičiasi esant pastoviam slėgiui, entalpija parodo, kiek šilumos ir darbo buvo pridėta arba pašalinta iš sistemos. Dėl šios savybės dažnai skaičiuojame entalpijos pokytį ΔH – tai praktiškai lygu tekančiai į sistemą ar iš jos išeinančiai šilumai esant pastoviam slėgiui.
Entalpija dažnai painiojama su bendrąja energija, bet tai nėra tas pats. Entalpija apima vidinę energiją ir darbą, reikalingą sistemos tūriui išstumti prieš išorės slėgį, todėl ji yra patogesnė termodinamikos procesams, kuriuose slėgis laikomas pastovus.
Kas lemia entalpiją — paprastas paaiškinimas
Panagrinėkime uždarytą sistemą, kurioje yra tam tikras dujų kiekis. Į sistemą patekusi šilumos energija gali:
- padidinti dujų vidinę energiją (temperatūros augimas), arba
- paskatinti atlikti tam tikrą sistemos plėtros darbą (sistemos tūrio padidėjimas prieš išorinį slėgį).
Todėl entalpijoje atsižvelgiama į abu šiuos veiksnius: vidinę energiją ir pV-darbą.
Matematinė išraiška
Entalpija H apibrėžiama kaip
H = U + pV
čia U – sistemos vidinė energija, p – slėgis, V – tūris. Pokytis ΔH uždarytoje sistemoje reiškia:
ΔH = ΔU + Δ(pV)
esant pastoviam slėgiui ir jei slėgis nekinta, dažnai naudojama sąlyga ΔH = Qp – tai reiškia, jog šilumos kiekis, pridėtas prie sistemos pastoviame slėgyje, lygus entalpijos pokyčiui.
Savybės ir svarbios formulės
- Vienetai: tarptautinė entalpijos vieneta – džaulis (J). Taip pat naudojama molinė entalpija J/mol arba specifinė entalpija h = H/m (J/kg).
- Šilumos talpa esant pastoviam slėgiui: c_p = (∂H/∂T)_p. Tai reiškia, kad entalpijos pokytis su temperatūra esant pastoviam slėgiui gali būti apskaičiuotas per c_p integravimą.
- Idealios dujos: idealios dujos turi savybę, kad H priklauso tik nuo temperatūros: H = H(T). Be to, c_p - c_v = R (R – dujų konstanta) idealioms dujoms per molą.
- Skysčių ir fazės pokyčiai: fazės kitimo metu (pvz., garų kondensacija ar skysčio garavimas) šilumos „latentinis“ kiekis yra entalpijos pokytis (entalpija garavimo, entalpija sublimacijos ir kt.).
Cheminės reakcijos ir standartinės entalpijos
Cheminėms reakcijoms dažnai naudojama standartinė entalpija (žymima ΔH°), pavyzdžiui, standartinė susidarymo entalpija ΔHf°. Reakcijos entalpiją galime rasti pagal Hess’o dėsnį:
ΔH_reakc = Σ ΔHf°(produktai) − Σ ΔHf°(reaktantai)
Hess’o dėsnis leidžia apskaičiuoti reakcijos entalpiją sudėjus žinomus tarpinio žingsnio entalpijų pokyčius, nes entalpijos yra kelio nepriklausoma funkcija.
Matuoklės ir praktinis panaudojimas
- Kalorimetrija: entalpijos pokyčiai nustatomi kalorimetrijos matavimais, pvz., bombų kalorimetruose degimo entalpijoms arba skysčių kalorimetruose fizinių procesų entalpijoms.
- Inžinerija: garo lentelės (steam tables), procesų projektavimas (šildymas, aušinimas, garų ciklai), šilumokaičiai, katilai, varikliai ir cheminės gamyklos remiasi entalpijos duomenimis ir skaičiavimais.
- Termodinaminės analizės: entalpija yra pagrindinė veličina vykdant energijos balanso skaičiavimus pramoniniuose procesuose.
Ženklo interpretacija
- ΔH < 0 – egzoterminis procesas: sistema išskiria šilumą į aplinką.
- ΔH > 0 – endoterminis procesas: sistema sugeria šilumą iš aplinkos.
Trumpas santraukinis pavyzdys
Jei dujos gauna šilumos ir plečiasi atlikdamos darbą prieš pastovų slėgį, dalis įneštos šilumos padidina vidinę energiją, o dalis išeina kaip pV-darbas. Esant pastoviam slėgiui, jų gaunama šiluma yra lygi entalpijos pokyčiui ΔH, todėl inžinieriai ir chemikai dažnai dirba su entalpijos lentelėmis ir ΔH reikšmėmis vietoje tiesioginių U ar darbo skaičiavimų.
Šiame straipsnyje aprašytos pagrindinės entalpijos savybės ir formulės suteikia pagrindą platesnei termodinamikos ir procesų inžinerijos analizei; tolesniems skaičiavimams gali prireikti duomenų apie specifinę šilumos talpą, standartines susidarymo entalpijas ar fazių pusiausvyros lenteles.
Entalpija ir cheminės reakcijos
Vykstant cheminei reakcijai, medžiaga gali tapti šiltesnė arba šaltesnė. Dėl to šiluma sklinda į aplinkinius daiktus arba iš jų, kol jos temperatūra vėl tampa tokia pati. Jei slėgis išlieka toks pat, šis šilumos kiekis parodo, kiek pakito entalpija.
Pavyzdžiui, jei benzinas deginamas atvirame ore, benzinas išskiria šilumą. Jei manome, kad išsiskyrė 100 kilodžaulių šilumos, tai benzino entalpija sumažėjo 100 kilodžaulių. Todėl šios reakcijos entalpijos pokytis buvo ∆H = -100 kJ.
Jei vykstant cheminei reakcijai išsiskiria šiluma (sušyla aplinka), vadinasi, reakcijos entalpija sumažėjo. ∆H reikšmė yra neigiama. Tokia reakcija, kaip ir pirmiau pateiktas pavyzdys, vadinama egzotermine.
Jei cheminė reakcija sugeria šilumą (atvėsina aplinką), tai reakcijos entalpija padidėjo. ∆H reikšmė yra teigiama. Tai vadinama endotermine reakcija.
Susiję puslapiai
- Termodinaminis potencialas
- Entropija
- Gibso laisvoji energija
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra entalpija?
A: Entalpija - tai sąvoka, naudojama moksle ir inžinerijoje šilumai ir darbui medžiagoje apskaičiuoti.
K: Iš kur kilęs entalpijos pavadinimas?
A: Pavadinimas "entalpija" kilęs iš graikiško žodžio "enthalpos" (ενθαλπος), kuris reiškia "atiduoti šilumą".
K: Kas sugalvojo žodį "entalpija"?
A: Olandų mokslininkė Heike Kamerlingh Onnes 1909 m. sugalvojo žodį "entalpija".
K: Kaip entalpija susijusi su energija?
Atsakymas: Entalpija nusako energiją, kuri sunaudojama arba išsiskiria medžiagai didėjant arba mažėjant, tačiau tai nėra tas pats, kas energija.
K: Kodėl mokslininkai dažnai skaičiuoja entalpijos pokytį, o ne energijos pokytį?
A: Mokslininkai dažnai skaičiuoja entalpijos pokytį, nes taip atsižvelgiama į energiją, sunaudojamą arba išsiskiriančią medžiagai keičiant dydį.
K: Kas atsitinka, kai į sistemą, kurioje yra fiksuotas dujų kiekis, patenka šilumos energija?
A: Kai šilumos energija patenka į sistemą, kurioje yra fiksuotas dujų kiekis, ji gali arba padidinti dujų vidinę energiją, arba atlikti tam tikrą darbą, kad sistema išsiplėstų.
Klausimas: Kaip entalpijoje atsižvelgiama į slėgio ir tūrio veiksnius?
A: Entalpija atsižvelgia į slėgio ir tūrio veiksnius, įvertindama atliktą darbą, kuris yra slėgio ir tūrio sandauga.
Ieškoti