Енталпија

Енталпија је мера тоталне енергије термодинамичког система. Она се састоји од унутрашње енергије, која је енергија неопходна да би се формирао систем, и количине енергије потребне да би се обезбедио простор за систем потискивањем његове околине, и успоставили његова запремина и притисак. То је функција стања која се користи у многим мерењима у хемијским, биолошким и физичким системима при константном притиску, што погодно обезбеђује велика амбијентална атмосфера. Израз притисак-запремина изражава рад потребан за утврђивање физичких димензија система, односно да му се направи место померањем околине. Члан притиска-запремине је веома мали за чврсте материје и течности у уобичајеним условима, а прилично мали за гасове. Због тога је енталпија користи за енергију у хемијским системима; веза, решетка, солватација и друге „енергије” у хемији су заправо енталпијске разлике. Као функција стања, енталпија зависи само од коначне конфигурације унутрашње енергије, притиска и запремине, а не од пута којим се то постиже.

Топлота (енталпија) стварања једињења се односи на један мол супстанце на температури од 25 °C и притиску од 101,3 -{kPa}-. Под топлотом (енталпијом) стварања подразумева се топлотни ефекат реакције при којој настаје 1 -{mol}- сложене супстанце из простих супстанци. Укупна промена енталпије је стална и не зависи од тога да ли се реакција одиграва у једном степену или више степена, ако се полази од истих компонената и добијају исти производи реакције са истим агрегатним стањем. Топлотни ефекат реакције (или промена енталпије реакције) једнак је алгебарском збиру енталпије стварања производа умањеном за суму стварања полазних супстанци (реактаната).

Мерна јединица за енталпију у Међународном систему јединица (СИ) је џул. Друге историјске конвенционалне јединице које се још увек користе укључују калорије и британску топлотну јединицу (БТУ).

Укупна енталпија система не може се директно измерити, јер унутрашња енергија садржи компоненте које су непознате, нису лако доступне или нису од интереса за термодинамику. У пракси је промена енталпије пожељан израз за мерења при константном притиску, јер то поједностављује опис преноса енергије. Када је такође онемогућен пренос материје у систем или ван њега, и не врши се електрични или механички рад, при константном притиску промена енталпије једнака је енергији која се топлотом размењује са околином.

У хемији, стандардна енталпија реакције је промена енталпије када се реактанти у својим стандардним стањима (Шаблон:Nowrap; обично Шаблон:Nowrap) промене у производе у својим стандардним стањима. Ова величина је стандардна топлота реакције при константном притиску и температури, али се може мерити калориметријским методама чак и ако температура варира током мерења, под условом да почетни и крајњи притисак и температура одговарају стандардном стању. Вредност не зависи од путање од почетног до коначног стања јер је енталпија функција стања.

Енталпије хемијских супстанци су обично наведене за притисак од Шаблон:Convert као стандардно стање. Температура не мора бити наведена, али табеле генерално наводе стандардну топлоту стварања на Шаблон:Cvt. За ендотермне (апсорбовање топлоте) процесе, промена Шаблон:Math је позитивна вредност; за егзотермне (ослобађање топлоте) процесе је негативан.

Енталпија идеалног гаса је независна од његовог притиска или запремине и зависи само од његове температуре која је у корелацији са његовом топлотном енергијом. Прави гасови на уобичајеним температурама и притисцима често се приближавају овом понашању, што поједностављује практично термодинамичко пројектовање и анализу.

Дефиниција

Енталпија Шаблон:Math термодинамичког система дефинише се као збир његове унутрашње енергије и производа његовог притиска и запремине:

Шаблон:Math,

где је Шаблон:Math унутрашња енергија, Шаблон:Mvar притисак, а Шаблон:Mvar запремина система.

Енталпија је екстензивно својство; она је пропорционална величини система (за хомогене системе). Као интензивно својство, специфична енталпија Шаблон:Math се односи на јединицу масе Шаблон:Mvar система, а моларна енталпија Шаблон:Math, где је н број молова. За нехомогене системе енталпија је збир енталпија саставних подсистема:

$H=\sum _k{H}_k,$

где је

Шаблон:Mvar је укупна енталпија свих подсистема,

Шаблон:Mvar се односи на различите подсистеме,

Шаблон:Mvar се односи на енталпију сваког подсистема.

Затворени систем може лежати у термодинамичкој равнотежи у статичком гравитационом пољу, тако да његов притисак Шаблон:Mvar стално варира с надморском висином, док је, због захтева равнотеже, његова температура Шаблон:Mvar инваријантна са висином. (Сходно томе, густина гравитационе потенцијалне енергије система такође варира с надморском висином.) Тада сума енталпије постаје интеграл:

$H=\int (\rho h)dV,$

где је

Шаблон:Mvar („ро”) је густина (маса по јединици запремине),

Шаблон:Mvar је специфична енталпија (енталпија по јединици масе),

Шаблон:Math представља густину енталпије (енталпија по јединици запремине),

Шаблон:Mvar означава инфинитезимално мали елемент запремине унутар система, на пример, запремину инфинитезимално танког хоризонталног слоја,

интеграл стога представља збир енталпија свих елемената запремине.

Енталпија затвореног хомогеног система је његова енергетска функција Шаблон:Math, са својом ентропијом Шаблон:Math и притиском Шаблон:Mvar као променљивим природног стања. Диференцијални однос за њега може се извести на следећи начин. Полази се од првог закона термодинамике за затворене системе за бесконачно мали процес:

$dU=\delta Q-\delta W,$

где је

Шаблон:Math мала количина топлоте додата систему,

Шаблон:Math мала количина рада коју систем обавља.

У хомогеном систему у коме се разматрају само реверзибилни процеси или чисти пренос топлоте, други закон термодинамике даје Шаблон:Math, при чему је Шаблон:Mvar апсолутна температура, а Шаблон:Mvar бесконачно мала промена ентропије Шаблон:Mvar система. Надаље, ако је изведено само Шаблон:Mvar рада, Шаблон:Math. Консеквентно,

$dU=TdS-pdV.$

Додајући Шаблон:Math са обе стране овог израза добија се

$dU+d(pV)=TdS-pdV+d(pV),$

или

$d(U+pV)=TdS+Vdp.$

Стога је

$dH(S,p)=TdS+Vdp.$

Карактеристичне функције

Енталпија, Шаблон:Math, изражава термодинамику система у енергетској репрезентацији. Као функција стања, њени аргументи укључују и једну интензивну и неколико екстензивних променљивих стања. За променљиве стања Шаблон:Math, Шаблон:Math и Шаблон:Math се каже да су природне променљиве стања у овом приказу. Оне су погодне за описивање процеса у којима су одређене факторима окружења. На пример, када се виртуелна честица атмосферског ваздуха помери на другу надморску висину, притисак који је окружује се мења, а процес је често толико брз да је премало времена за пренос топлоте. Ово је основа такозване адијабатске апроксимације која се користи у метеорологији.

Коњугирано са енталпијом, са овим аргументима, друга карактеристична функција стања термодинамичког система је његова ентропија, као функција, Шаблон:Math, исте листе променљивих стања, осим што је ентропија, Шаблон:Math, у листи замењена енталпијом, Шаблон:Math. Изражава ентропијску репрезентацију. За променљиве стања Шаблон:Math, Шаблон:Math, и Шаблон:Math се каже да су природне променљиве стања у овом приказу. Оне су погодне за описивање процеса у којима се експериментално контролисане. На пример, Шаблон:Math и Шаблон:Math се могу контролисати омогућавањем преноса топлоте и променом само спољног притиска на клипу који подешава запремину система.

Физичко тумачење

Израз Шаблон:Mvar је енергија система, а израз Шаблон:Mvar се може тумачити као рад који би био потребан да би се „направило места” за систем ако би притисак околине остао константан. Када се систем, на пример са Шаблон:Mvar мола гаса запремине Шаблон:Mvar при притиску Шаблон:Mvar и температури Шаблон:Mvar, створи или доведе у садашње стање од апсолутне нуле, енергија се мора испоручити једнака његовој унутрашњој енергији Шаблон:Mvar плус Шаблон:Mvar, где је Шаблон:Mvar рад обављен при потискивању притиска околине (атмосфере).

У физици и статистичкој механици може бити од већег интереса да се проучавају унутрашња својства система константне запремине и стога се користи унутрашња енергија. У хемији се експерименти често изводе при константном атмосферском притиску, а рад притиска-запремине представља малу, добро дефинисану размену енергије са атмосфером, тако да је Шаблон:Math одговарајући израз за топлоту реакције. За топлотни мотор, промена његове енталпије након пуног циклуса једнака је нули, будући да су коначно и почетно стање једнаки.

Однос са топлотом

Да би се расправљало о односу између повећања енталпије и снабдевања топлотом, фокус се враћа на први закон у затвореним системима, уз физичку конвенцију знака: Шаблон:Math, где се топлота Шаблон:Mvar доводи кондукцијом, зрачењем, Џуловим загревањем, или трењем услед мешања вратилом са лопатицама или спољним магнетним пољем које делује на унутрашњи ротор (што је рад у околини, али доприноси загревању система). Он се примењује на посебан случај са константним притиском на површини. У овом случају рад је дат са Шаблон:Math (где је Шаблон:Mvar притисак на површини, Шаблон:Mvar је повећање запремине система). Случајеви електромагнетне интеракције великог домета захтевају додатне варијабле стања у њиховој формулацији и овде се не разматрају. У овом случају први закон гласи:

$dU=\delta Q-pdV.$

Што се може записати као,

$dH=dU+d(pV).$

те је

$dH=\delta Q+Vdp+pdV-pdV$

$=\delta Q+Vdp.$

Ако је систем под константним притиском, Шаблон:Math, те је консеквентно повећање енталпије система једнако додатој или испуштеној топлоти:

$dH=\delta Q.$

Због тога се у 19. веку користио сада застарели израз садржај топлоте.

Литература

• Шаблон:Cite journal
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite journal
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book

Спољашње везе

• Енталпија
• Први закон термодинамике
• Пример израчунавања енталпије