Entalpia
Entalpia (zawartość ciepła) – w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym[1], oznaczana przez [a], lub którą definiuje zależność:
gdzie:
- – entalpia układu,
- – energia wewnętrzna układu,
- – ciśnienie,
- – objętość.
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,
- iloczynu który jest równy pracy, jaką należy wykonać nad otoczeniem, by w danych warunkach uzyskać miejsce na układ[3].
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 i są małe w porównaniu do i mogą być pominięte, wówczas zmiana entalpii jest równa zmianie energii wewnętrznej:
Entalpia jako zawartość ciepła
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:
- – energia wewnętrzna właściwa,
- – objętość właściwa.
Zależność entalpii od temperatury
Entalpia substancji zależy od jej temperatury. Przy stałym ciśnieniu jest nazywana pojemnością cieplną
lub
gdzie: – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, – masa substancji.
Entalpia standardowa
Entalpia standardowa to entalpia danej substancji w jej czystej postaci w ciśnieniu standardowym (tj. 1 bar) w danej temperaturze[4]. Zmianę entalpii standardowej oznacza się symbolem Oznaczając entalpie, jak i entalpie standardowe, wprowadza się do symbolu entalpii oznaczenie przemiany gdzie oznacza przemianę. Stosowany jest też zapis
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
2O): −285,83 kJ/mol - para wodna: −241,82 kJ/mol
Entalpia 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
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:
- – energia wewnętrzna,
- – ciśnienie,
- – objętość,
- – entropia.
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 zmniejszenie w danym procesie. Przyrost entalpii występuje w sprężarkach, natomiast zmniejszenie – w turbinach cieplnych.
Moc maszyny przepływowej (turbiny, sprężarki) obliczana jest jako iloczyn zmniejszenia (bądź przyrostu) wewnętrznego entalpii czynnika przepływowego i strumienia masy rozprężanego (lub sprężanego) czynnika.
Entalpia jako transformata Legendre’a
Entalpia jest transformatą Legendre’a energii wewnętrznej po zmiennej
W równaniu:
jest zmienną niezależną, a zależną (funkcją objętości).
Dokonując transformacji Legendre’a, otrzymuje się nową funkcję w której jest zmienną niezależną, a zależną (funkcją ciśnienia), czyli:
Zobacz też
![]() | Zobacz hasło entalpia w Wikisłowniku |
- energia swobodna
- energia wewnętrzna
- entalpia swobodna
- funkcja stanu
- maszyna cieplna
- potencjały termodynamiczne
- rozprężanie
- spalanie
- sprężanie
- turbina parowa
Uwagi
Przypisy
- ↑ entalpia, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-12-20] .
- ↑ Witold Tomassi, Helena Jankowska: Chemia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1980, s. 34. ISBN 83-204-0179-8.
- ↑ First Law of Thermodynamics.
- ↑ PeterP. Atkins PeterP., Chemia fizyczna, wyd. 1 (3 dodr.), Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2012, s. 65, ISBN 978-83-01-13502-7 .
Bibliografia
- R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach, Termodynamika. ichf.edu.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-03-04)].
- Peter William Atkins: Chemia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001, s. 124. ISBN 83-01-13502-6.
- Britannica: science/enthalpy
- БРЭ: 4936148
- SNL: entalpi
- Catalana: 0103014
- DSDE: entalpi