Entalpia

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Entalpia (zawartość ciepła) – w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez H, h[a],I lub χ, którą definiuje zależność:

\scriptstyle H=U+pV\,

gdzie:

Z powyższego wzoru wynika sens fizyczny entalpii. Entalpia jest równa sumie energii wewnętrznej, czyli energii, jaka jest potrzebna do utworzenia układu, gdy jest on tworzony w otoczeniu próżni, oraz iloczynu pV, który jest równy pracy, jaką należy wykonać nad otoczeniem, by w danych warunkach uzyskać miejsce na układ[2].

Wszystkie wielkości definiujące entalpię są parametrami stanu, dlatego entalpia też jest funkcją stanu.

Nieskończenie małą zmianę entalpii określa wzór:

\scriptstyle  dH = dU + pdV + Vdp \,

Dla procesów, zachodzących dla ciał stałych i cieczy pod niezbyt dużym ciśnieniem składniki pdV i Vdp są małe w porównaniu do dU i mogą być pominięte, wówczas zmiana entalpii jest równa zmianie energii wewnętrznej:

Entalpia jako zawartość ciepła[edytuj | edytuj kod]

Z definicji entalpii i I zasady termodynamiki:

\scriptstyle dH = dQ - dW_e + Vdp \,

Gdy układ wykonuje wyłącznie pracę objętościową oraz gdy ciśnienie jest stałe, wówczas zmiana entalpii jest równa ciepłu dostarczonemu do układu:

\scriptstyle dH = dQ \,

Z tego, że entalpia jest funkcją stanu oraz powyższego wynika, że dla dowolnego procesu, w którym ciśnienie początkowe jest równe ciśnieniu końcowemu, ilość ciepła dostarczonego do układu jest równa zmianie entalpii:

\scriptstyle \Delta Q = \Delta H \,

Przemiany przebiegające przy stałym ciśnieniu są bardzo często spotykane w praktyce (np. kocioł parowy, przemiany fazowe, reakcje chemiczne), stąd entalpia jest bardzo często wykorzystywaną w obliczeniach funkcją stanu.

W termodynamice technicznej przydatne są wielkości termodynamiczne właściwe (odniesione do jednostki masy rozpatrywanego czynnika termodynamicznego). Wprowadza się więc entalpię właściwą:

\scriptstyle h=\frac{H}{m}

Dla entalpii właściwej można zapisać wzór definicyjny w następującej postaci:

\scriptstyle h=u+pv\,

gdzie:

Zależność entalpii od temperatury[edytuj | edytuj kod]

Entalpia substancji zależy od jej temperatury. Przy stałym ciśnieniu Cp jest nazywana pojemnością cieplną

\scriptstyle  dH = C_p dT \,

lub

\scriptstyle  dH = c_p m dT \,

gdzie:

Entalpia standardowa[edytuj | edytuj kod]

Entalpia standardowa to entalpia danej substancji w jej czystej postaci w warunkach standardowych, to jest przy ciśnieniu 1 bar i temperaturze 298 K. Określa się też entalpię standardową w określonej temperaturze. Zmianę entalpii standardowej oznacza się symbolem \scriptstyle \Delta H^\ominus . Oznaczając entalpie jak i entalpie standardowe wprowadza się do symbolu entalpii oznaczenie przemiany \scriptstyle \Delta_{przem}H\,, gdzie przem oznacza przemianę, stosowany jest też zapis \scriptstyle \Delta H_{przem}\,.

Entalpie standardowe tworzenia 1 mola (zobacz Standardowe molowe ciepło tworzenia) substancji są podawane w tabelach własności fizycznych substancji. Przyjmuje się, że pierwiastki w ich podstawowym stanie w warunkach standardowych mają entalpię równą 0.

Przykłady entalpii standardowych tworzenia: wodór cząsteczkowy (H2): 0, wodór atomowy (H): +217,97 kJ/mol, tlen (O2): 0, woda ciekła (H2O): −285,83 kJ/mol, para wodna: −241,82 kJ/mol.

Entalpia przemian[edytuj | edytuj kod]

Wybrane oznaczenia entalpii przemian
Przemiana Opis Oznaczenie
Przemiana fazowa faza a → faza b \scriptstyle \Delta_{p.f.}H\,
Rozpuszczanie substancja rozpuszczana → roztwór \scriptstyle \Delta_{roz}H\,
Reakcja chemiczna substraty → produkty \scriptstyle \Delta_{r}H\,
Tworzenie (synteza związku z pierwiastków) pierwiastki → związek chemiczny \scriptstyle \Delta_{tw}H\,

Inne[edytuj | edytuj kod]

Z definicji oraz wyrażenia na energię wewnętrzną dla procesów odwracalnych:

U=TS-pV+ \sum_{i=1}^{N}{\mu_i N_i}

wynika:

dH = TdS +Vdp + \sum_{i=1}^k {\mu_i dN_i}

Z zależności tej wynika:

T = \left( \frac{\partial H}{\partial S} \right)_{p,N_1,\dots,N_k} – związek z temperaturą
V = \left( \frac{\partial H}{\partial p} \right)_{S,N_1,\dots,N_k} – związek z objętością
\mu_i = \left( \frac{\partial H}{\partial N_i} \right)_{S,p,N_1,\dots,N_{i-1},N_{i+1},\dots,N_k} – związek z potencjałem chemicznym

gdzie

Entalpia gazów rzeczywistych i innych substancji zależy w sposób bardziej skomplikowany od temperatury, konieczne jest zastosowanie bardziej skomplikowanych zależności, uwzględniających m.in. ciśnienie. Szczególnie skomplikowane jest wyznaczenie entalpii stosowanej w technice pary wodnej (np. w kotłach i turbinach parowych, suszarniach, wymiennikach ciepła, sprężarkach i wentylatorach do gazów wilgotnych, silnikach cieplnych, zwłaszcza z wtryskiem wody bądź pary wodnej, sieci i węzłów ciepłowniczych i innych), gdyż jej parametry są oddalone w stosunkowo niewielkim stopniu od linii nasycenia i punktu krytycznego.

W termodynamice nie jest istotna wartość całkowitej entalpii, lecz jej przyrost lub spadek w danym procesie. Przyrost entalpii występuje w sprężarkach, natomiast spadek – w turbinach cieplnych.

Moc maszyny przepływowej (turbiny, sprężarki) obliczana jest jako iloczyn wewnętrznego spadku (bądź przyrostu) entalpii czynnika przepływowego i strumienia masy rozprężanego (lub sprężanego) czynnika.

Entalpia jako transformata Legendre'a[edytuj | edytuj kod]

Entalpia H(S,p) jest transformatą Legendre'a energii wewnętrznej U(S,V) po zmiennej −V.

W równaniu dU=TdS−pdV: V jest zmienną niezależną, a p zależną (funkcją objętości). Dokonując transformacji Legendre'a otrzymuje się nową funkcję H, w której p jest zmienną niezależną, a V zależną (funkcją ciśnienia), czyli dH=TdS+Vdp.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Uwagi

  1. Małą literę stosuje się w ujęciu ogólnym, dużą dla wielkości molowej[1].

Przypisy

  1. Witold Tomassi, Helena Jankowska: Chemia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1980, s. 34. ISBN 83-204-0179-8.
  2. First Law of Thermodynamics

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]