Egftnjytyk

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:

H=U+pV{displaystyle H=U+pV}

gdzie: H – entalpia układu, U – energia wewnętrzna układu, p – ciśnienie, V – 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, 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:

dH=dU+pdV+Vdp{displaystyle 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 |

Z definicji entalpii i I zasady termodynamiki:

dH=dQ+dWe+Vdp{displaystyle 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:

dH=dQ{displaystyle 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:

ΔQ=ΔH{displaystyle 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:

h=Hm{displaystyle h={frac {H}{m}}}

Dla entalpii właściwej można zapisać wzór definicyjny w następującej postaci:

h=u+pv{displaystyle h=u+pv}

gdzie: u – energia wewnętrzna właściwa, v – objętość właściwa

Zależność entalpii od temperatury |

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

dH=CpdT{displaystyle dH=C_{p}dT}

lub

dH=cpmdT{displaystyle dH=c_{p}mdT}

gdzie: c_p – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, m – masa substancji

Entalpia standardowa |

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 ΔH^Ɵ. Oznaczając entalpie, jak i entalpie standardowe wprowadza się do symbolu entalpii oznaczenie przemiany Δ_przemH, gdzie przem oznacza przemianę, stosowany jest też zapis ΔH_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 (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 |

Wybrane oznaczenia entalpii przemian

Przemiana	Opis	Oznaczenie
Przemiana fazowa	faza a → faza b	Δp.f.H{displaystyle Delta _{p.f.}H}
Rozpuszczanie	substancja rozpuszczana → roztwór	ΔrozH{displaystyle Delta _{roz}H}
Reakcja chemiczna	substraty → produkty	ΔrH{displaystyle Delta _{r}H}
Tworzenie (synteza związku z pierwiastków)	pierwiastki → związek chemiczny	ΔtwH{displaystyle Delta _{tw}H}

Inne |

Z definicji oraz wyrażenia na energię wewnętrzną dla procesów odwracalnych:

U=TS−pV+∑i=1NμiNi{displaystyle U=TS-pV+sum _{i=1}^{N}{mu _{i}N_{i}}}

wynika:

dH=TdS+Vdp+∑i=1kμidNi{displaystyle dH=TdS+Vdp+sum _{i=1}^{k}{mu _{i}dN_{i}}}

Z zależności tej wynika:

T=(∂H∂S)p,N1,…,Nk{displaystyle T=left({frac {partial H}{partial S}}right)_{p,N_{1},dots ,N_{k}}} – związek z temperaturą

V=(∂H∂p)S,N1,…,Nk{displaystyle V=left({frac {partial H}{partial p}}right)_{S,N_{1},dots ,N_{k}}} – związek z objętością

μi=(∂H∂Ni)S,p,N1,…,Ni−1,Ni+1,…,Nk{displaystyle 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: U – energia wewnętrzna, p – ciśnienie, V – objętość, S – 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 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 |

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

W równaniu:

dU=TdS−pdV{displaystyle 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{displaystyle dH=TdS+Vdp}

Zobacz też |

Zobacz hasło entalpia w Wikisłowniku

• funkcja stanu


• potencjały termodynamiczne


• energia swobodna


• energia wewnętrzna


• entalpia swobodna


• sprężanie


• rozprężanie


• maszyna cieplna


• spalanie


• turbina parowa

Uwagi |

Przypisy |

Bibliografia |

• R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach, Termodynamika
  


• Peter William Atkins: Chemia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001, s. 124. ISBN 83-01-13502-6.