Entalpija: definicija, pomen in izračun spremembe toplote v termodinamiki

Entalpija je pojem, ki se uporablja v znanosti in tehniki, kadar je treba izračunati toploto in delo. Ime izvira iz grške besede "enthalpos" (ενθαλπος), kar pomeni »vnesti toploto«. Besedo je leta 1909 uvedel nizozemski fizik Heike Kamerlingh Onnes.

Pri procesih, ki potekajo pri konstantnem tlaku, entalpija pove, koliko toplote in dela je sistemu dodano ali odvzeto. Entalpija je stanjevska funkcija, podobna energiji, vendar ni enaka notranji energiji. Ko snov raste ali se krči, se porablja ali sprošča energija v obliki dela; entalpija to upošteva skupaj z notranjo energijo sistema.

Definicija in osnovna enačba

Entalpija H je definirana kot:

H = U + pV

kjer je U notranja energija sistema, p tlak in V prostornina. Ker so U, p in V stanjske količine, je tudi H stanjska količina; sprememba entalpije je torej odvisna samo od začetnega in končnega stanja, ne od poti.

Povezava med entalpijo in toploto

Za zaprti sistem, pri katerem je edino delo PV‑delo (raztezanje proti zunanjemu tlaku), velja pri konstantnem tlaku enačba:

ΔH = q_p

kar pomeni, da je sprememba entalpije enaka toploti, ki jo sistem izmenja z okolico pri konstantnem tlaku. Zato je ΔH uporabna pri merjenju toplotnih efektov kemijskih reakcij ali faznih sprememb v običajnih pogojih.

Povezava z notranjo energijo

V splošnem velja:

ΔH = ΔU + Δ(pV)

Pri idealnem plinu in pri spremembah, kjer tlak ostaja konstanten, je Δ(pV) enako pΔV, zato se ΔH pogosto uporablja, kadar se opravlja le PV‑delo. Če obstajajo tudi druge oblike dela (električno, mehansko brez širitve), je treba to upoštevati posebej.

Izračun spremembe entalpije

Za segrevanje pri konstantnem tlaku: ΔH = ∫ Cp dT, kjer je Cp toplotna zmogljivost pri stalnem tlaku. Za majhne temperaturne intervale se pogosto uporabi približek ΔH ≈ Cp ΔT.
Za fazne prehode: entalpija spremembe vključuje latentno toploto, npr. entalpija taljenja ali entalpija izparevanja (ΔH_fuz, ΔH_vap).
Za kemijske reakcije se uporablja reakcijska entalpija ΔH, ki je razlika med entalpijami produktov in reaktantov. Standardne vrednosti so označene kot ΔH° (pri standardnih pogojih).

Enote in oblike entalpije

Entalpija se običajno izraža v joulih (J) za celoten sistem, v joulov na mol (J·mol⁻¹) za molarne entalpije ali v joulov na kilogram (J·kg⁻¹) za specifično entalpijo. Pogosti izrazi:

Molarna entalpija H̄ (J·mol⁻¹)
Specifična entalpija h (J·kg⁻¹)

Standardna entalpija in Hessov zakon

Standardna entalpija tvorbe (ΔHf°) je entalpija, potrebna za tvorbo 1 mola spojine iz elementov v njihovih standardnih stanjih. Po Hessovem zakonu je skupna entalpija kemijske reakcije neodvisna od poti: entalpijo celotne reakcije lahko dobimo s seštevanjem entalpij posameznih korakov.

Praktični primeri in pomen

V kalorimetriji se ΔH meri za določene reakcije (npr. izgorevanje ali nevtralizacija) za oceno energetskega učinka.
Pri termodinamičnih ciklih (npr. parni stroji, hladilni cikli) se entalpija uporablja za risanje entalpijskih diagramov (h–s ali h–x), kar olajša izračun delovne moči in izmenjave toplote.
V kemiji in inženirstvu je poznavanje entalpij reakcij ključno za določanje, ali je proces endotermen (ΔH > 0) ali eksotermen (ΔH < 0) ter za dimenzioniranje opreme in varnostne ocene.

Kaj je treba zapomniti

Entalpija H = U + pV in je stanjska funkcija.
Pri konstantnem tlaku in če je edino delo PV‑delo: ΔH = q_p.
Za idealne pline je entalpija funkcija le temperature (pri konstantnem sestavu), zato je pri takih plinih ΔH izračunljiv iz Cp in ΔT.

Entalpija je zato priročen koncept za analizo toplotnih procesov, še posebej kadar delamo pri konstantnem tlaku ali preučujemo kemijske reakcije in fazne spremembe.

Entalpija in kemijske reakcije

Ob kemijski reakciji lahko snov postane toplejša ali hladnejša. Zaradi tega se toplota pretaka v okoliške stvari ali iz njih, dokler se njena temperatura spet ne spremeni. Če tlak ostane enak, ta količina toplote pove, za koliko se je spremenila entalpija.

Če na primer bencin gori na prostem, se pri tem sprošča toplota. Če predpostavimo, da se je sprostilo 100 kilodžulov toplote, potem se je entalpija bencina zmanjšala za 100 kilodžulov. Zato je bila sprememba entalpije pri tej reakciji ∆H = -100 kJ.

Če se pri kemijski reakciji sprošča toplota (segreva okolico), potem pravimo, da se je entalpija reakcije zmanjšala. Vrednost ∆H je negativna. Takšna reakcija, kot je zgornji primer, se imenuje eksotermna.

Če kemijska reakcija absorbira toploto (ohlaja okolico), se je entalpija reakcije povečala. Vrednost ∆H je pozitivna. To imenujemo endotermna reakcija.

Sorodne strani

Termodinamični potencial
Entropija
Gibbsova prosta energija

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je entalpija?

O: Entalpija je pojem, ki se v znanosti in tehniki uporablja za izračun toplote in dela v snovi.

V: Od kod izvira ime "entalpija"?

O: Ime "entalpija" izhaja iz grške besede "enthalpos" (ενθαλπος), ki pomeni "vnesti toploto".

V: Kdo si je zamislil idejo in besedo "entalpija"?

O: Nizozemska znanstvenica Heike Kamerlingh Onnes je idejo in besedo "entalpija" skovala leta 1909.

V: Kako je entalpija povezana z energijo?

O: Entalpija predstavlja energijo, ki se porabi ali sprosti, ko snov raste ali se krči, vendar ni enaka energiji.

V: Zakaj znanstveniki pogosto računajo spremembo entalpije in ne spremembe energije?

O: Znanstveniki pogosto izračunavajo spremembo entalpije, ker ta upošteva energijo, ki se porabi ali sprosti, ko snov spremeni velikost.

V: Kaj se zgodi, ko toplotna energija vstopi v sistem, ki vsebuje določeno količino plina?

O: Ko toplotna energija vstopi v sistem, ki vsebuje določeno količino plina, se lahko poveča notranja energija plina ali pa se opravi določeno delo za razširitev sistema.

V: Kako entalpija upošteva dejavnika tlaka in prostornine?

O: Entalpija upošteva dejavnika tlaka in prostornine tako, da upošteva opravljeno delo, ki je zmnožek tlakov in prostornine.