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:

gdzie: H – entalpia układu, Uenergia wewnętrzna układu, pciśnienie, Vobjętość

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:

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 kod]

Z definicji entalpii i I zasady termodynamiki:

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

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:

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:

Dla entalpii właściwej można zapisać wzór definicyjny w następującej postaci:

gdzie: u – energia wewnętrzna właściwa, vobjętość właściwa

Zależność entalpii od temperatury[edytuj kod]

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

lub

gdzie: cpciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, m – masa substancji

Entalpia standardowa[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 ΔHƟ. Oznaczając entalpie, jak i entalpie standardowe wprowadza się do symbolu entalpii oznaczenie przemiany ΔprzemH, gdzie przem oznacza przemianę, stosowany jest też zapis ΔHprzem.

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 (H
2
): 0, wodór atomowy (H): +217,97 kJ/mol, tlen (O
2
): 0, woda ciekła (H
2
O
): −285,83 kJ/mol, para wodna: −241,82 kJ/mol.

Entalpia przemian[edytuj kod]

Wybrane oznaczenia entalpii przemian
Przemiana Opis Oznaczenie
Przemiana fazowa faza a → faza b
Rozpuszczanie substancja rozpuszczana → roztwór
Reakcja chemiczna substraty → produkty
Tworzenie (synteza związku z pierwiastków) pierwiastki → związek chemiczny

Inne[edytuj kod]

Z definicji oraz wyrażenia na energię wewnętrzną dla procesów odwracalnych:

wynika:

Z zależności tej wynika:

– związek z temperaturą
– związek z objętością
– związek z potencjałem chemicznym

gdzie: Uenergia wewnętrzna, pciśnienie, Vobjętość, Sentropia.

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 kod]

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

W równaniu:

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:

Zobacz też[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 kod]