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.