Энтальпия кратко и понятно

Обновлено: 05.07.2024

Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хоть вещество и может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия — это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении.

Энтальпия — это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия — это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии — британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.

Количество энтальпии

Количество энтальпии вещества основано на его данной температуре. Данная температура — это значение, которая выбрано учеными и инженерами, как основание для вычислений. Это температура, при которой энтальпия вещества равна нулю Дж. Другими словами, у вещества нет доступной энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Данная температура у различных веществ разная. Например, данная температура воды — это тройная точка (О °С), азота −150°С, а хладагентов на основе метана и этана −40°С.

Если температура вещества выше его данной температуры или изменяет состояние на газообразное при данной температуре, энтальпия выражается положительным числом. И наоборот при температуре ниже данной энтальпия вещества выражается отрицательным числом. Энтальпия используется в вычислениях для определения разницы уровней энергии между двумя состояниями. Это необходимо для настройки оборудования и определения коэффициента полезного действия процесса.

Энтальпию часто определяют как полную энергию вещества, так как она равна сумме его внутренней энергии (и) в данном состоянии наряду с его способностью проделать работу (pv). Но в действительности энтальпия не указывает полную энергию вещества при данной температуре выше абсолютного нуля (-273°С). Следовательно, вместо того, чтобы определять энтальпию как полную теплоту вещества, более точно определять ее как общее количество доступной энергии вещества, которое можно преобразовать в теплоту.
H = U + pV

Энтальпи́я, также тепловая функция и теплосодержание — термодинамический потенциал, характеризующий состояние системы в термодинамическом равновесии при выборе в качестве независимых переменных давления, энтропии и числа частиц.

Проще говоря, энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенных температуре и давлении.

Если термомеханическую систему рассматривать как состоящую из макротела (газа) и поршня площадью S с грузом весом Р = pS, уравновешивающего давление газа р внутри сосуда, то такая система называется расширенной.

Энтальпия или энергия расширенной системы Е равна сумме внутренней энергии газа U и потенциальной энергии поршня с грузом E_пот = pSx = pV

Таким образом, энтальпия в данном состоянии представляет собой сумму внутренней энергии тела и работы, которую необходимо затратить, чтобы тело объёмом V ввести в окружающую среду, имеющую давление р и находящуюся с телом в равновесном состоянии. Энтальпия системы H — аналогично внутренней энергии и другим термодинамическим потенциалам — имеет вполне определенное значение для каждого состояния, т. е. является функцией состояния. Следовательно, в процессе изменения состояния

$\Delta H=H_2-H_1$

$\Delta H=0$

Изменение энтальпии (или Тепловой эффект химической реакции) не зависит от пути процесса, определяясь только начальным и конечным состоянием системы. Если система каким-либо путём возвращается в исходное состояние (круговой процесс), то изменение любого её параметра, являющегося функцией состояния, равно нулю, отсюда , или же

$\oint \delta H =0$

Дифференциал энтальпии, выраженный в собственных переменных — через энтропию S и давление p:

$\begin \mathrmH &= \mathrm(U+ pV) \\ &= \mathrmU+\mathrm(pV) \\ &= \mathrmU+(p\,\mathrmV+V\,\mathrmp) \\ &= (\delta Q-p\,\mathrmV)+(p\,\mathrmV+V\,\mathrmp) \\ &= \delta Q+V\,\mathrmp \\ &= T\,\mathrmS+V\,\mathrmp \end$

$T\, \mathrm<d> Поскольку в квазиравновесных процессах S = \delta Q$
— количество теплоты, подведенной к системе, отсюда вытекает физический смысл введения понятия энтальпии: ее изменение — это тепло, подведенное к системе в изобарическом процессе (при постоянном давлении). Практическое применение этой функции основано на том, что множество химических процессов в реальных или лабораторных условиях реализуются именно при постоянном (атмосферном) давлении, когда резервуар открыт. Так, энтальпия образования — количество энергии, которое выделяется или поглощается при образовании сложного вещества из простых веществ.

Все химические реакции сопровождаются выделением (экзотермические) или поглощением (эндотермические) тепла. Мерой теплоты реакции служит изменение энтальпии ΔН, которая соответствует теплообмену при постоянном давлении. В случае экзотермических реакций система теряет тепло и ΔН — величина отрицательная. В случае эндотермических реакций система поглощает тепло и ΔН — величина положительная.

Энтальпией системы удобно пользоваться в тех случаях, когда в качестве независимых переменных, определяющих состояние системы, выбирают давление р и температуру Т

В этом случае изменение энтальпии в изобарическом процессе практически удобно рассчитывать, зная теплоемкость при постоянном давлении (термохимический закон Кирхгофа): ) = \int\delta Q = \int\limits_^ C_p(T) \mathrm T " width="" height="" />

При этом используется эмпирическое разложение теплоёмкости в ряд по степеням Т:

$C_p(T)= \sum a_i*T^i$

$H=\sum H_i$

Энтальпия — величина аддитивная (экстенсивная), т. е. для сложной системы равна сумме энтальпий её независимых частей . Подобно другим термодинамическим потенциалам, энтальпия определяется с точностью до постоянного слагаемого, которому в термодинамике часто придают произвольные значения (например, при расчете и построении тепловых диаграмм). При наличии немеханических сил величина энтальпии системы равна

$H = U + pV - \sum X_iy_i$

где — обобщённая сила; — обобщённая координата.

Содержание

Примеры

Инвариантная энтальпия в релятивистской термодинамике

При построении релятивистской термодинамики (с учетом специальной теории относительности) обычно наиболее удобным подходом является использование так называемой инвариантной энтальпии — для системы, находящейся в некотором сосуде.

При этом подходе температура определяется как лоренц-инвариант. Энтропия — также инвариант. Поскольку стенки влияют на систему, наиболее естественной независимой переменной является давление , в связи с чем в качестве термодинамического потенциала удобно брать именно энтальпию [1] .

$H=\sqrt<\left(U+P \,V \right)^2 -c^2 \vec g^2> $

Основное уравнение релятивистской термодинамики записывается через дифференциал инвариантной энтальпии следующим образом:

$dH=T \, dS +\frac<V> >\, dP + \mu\, dN$

Пользуясь этим уравнением, можно решить любой вопрос термодинамики движущихся систем, если известна функция .

Энтальпия - это количество тепла, которое термодинамическая система выделяет или поглощает из окружающей среды, когда она находится под постоянным давлением, термодинамическая система означает любой объект.

В физике и химии энтальпия - это термодинамическая величина, единицей измерения которой является Джоуль (Дж) и она обозначается буквой H.

Формула для расчета энтальпии:

H - энтальпия, E - энергия термодинамической системы, P - давление термодинамической системы, V - объем.

В этой формуле произведение давления, умноженного на объем (PV), равно механической работе, которая применяется к системе.

Следовательно, энтальпия равна энергии термодинамической системы плюс механическая работа, приложенная к ней.

Однако энтальпия системы может быть измерена только в тот момент, когда происходит изменение энергии. Изменение, представленное знаком Δ, дает новую формулу:

Это означает, что изменение энтальпии (∆H) равно изменению энергии (∆E) плюс механическая работа, приложенная к системе (P∆V).

Энтальпия происходит от греческого enthálpō , что означает добавление или добавление тепла. Термин был впервые придуман голландским физиком Хайке Камерлинг Оннесом, лауреатом Нобелевской премии по физике в 1913 году.

Типы энтальпии

Существует несколько типов энтальпии в зависимости от веществ и процессов. Когда процесс включает в себя выделение энергии, это экзотермическая реакция, в то время как захват энергии означает, что это эндотермическая реакция.

На основании вышеизложенного энтальпии подразделяются на:

Формирование энтальпии

Это энергия, которая требуется, чтобы сформировать моль вещества из элементов, которые его составляют. Напомним, что моль является единицей измерения вещества, эквивалентной 6,023х10 23 атомам или молекулам.

Примером энтальпии образования является объединение кислорода (O) и водорода (H) с образованием воды (H ₂ O), изменение энергии или энтальпии которой (ΔH) составляет -285820 кДж / моль.

Энтальпия реакции

Это энергия, которая выделяет химическую реакцию под постоянным давлением.

Примером энтальпии реакции является образование метана (CH4) из объединения углерода (C) и водорода (H):

Смотрите также Химическая реакция.

Энтальпия раствора

Относится к количеству тепла, выделяемого или поглощаемого веществом при растворении в водном растворе.

Примером энтальпии растворения является то, что происходит при растворении серной кислоты (H ₂ SO ₄ ) в воде (H ₂ O). Количество энергии, выделяемой кислотой, настолько велико, что это раствор, который необходимо использовать с определенными мерами безопасности.

Нейтрализующая энтальпия

Это энергия, которая улавливается или выделяется, когда кислота и основание смешиваются, нейтрализуя друг друга.

Пример энтальпии нейтрализации - это когда мы смешиваем уксусную кислоту (CH₃COOH) с бикарбонатом (NaHCOH).

Смотрите также Кислоты и основания.

Энтальпия горения

Это энергия, выделяемая, когда один моль органического вещества реагирует с кислородом в воздухе и выделяет углекислый газ (CO _2).

Примером энтальпии горения является та, которая генерируется пропаном (C ₃ H ₈ ), который выделяет энергию, которая используется в качестве бытового топлива:

Выпуски 2,044 x 10 3 кДж / моль

Изменение энтальпии (ΔH) = -2,044x10 ^ 3 кДж / моль

Смотрите также Горение.

Энтальпия разложения

Это количество тепла или энергии, которое выделяется, когда один моль вещества распадается на более простые элементы.

Примером энтальпии разложения является случай, когда перекись водорода или перекись водорода разлагается с образованием воды и кислорода:

Выпущено 96,5 кДж / моль

Изменение энтальпии (ΔH) = 96,5 кДж / моль

Энтальпия растворения

Это относится к количеству тепла или энергии, которые вещество захватывает или выделяет, когда в раствор добавляется больше воды.

Примером энтальпии растворения является добавление порошкообразного моющего средства в воду.

Смотрите также Химический раствор.

Изменение фазы энтальпии

Это относится к обмену энергией, который происходит, когда элемент меняет состояние (твердое, жидкое или газообразное). В этом смысле мы имеем:

Энтальпия плавления : изменение энтальпии при переходе от твердого тела к жидкости. Энтальпия сублимации : изменение энтальпии при переходе от твердого тела к газу. Энтальпия испарения : переход от жидкости к газу.

Примером энтальпии изменения фазы является то, что происходит в круговороте воды, поскольку при переходе из жидкого состояния в газообразное или твердое состояние (или любое из его возможных сочетаний) вода выделяет или поглощает энергию. В этом случае изменение энергии при переходе воды из жидкости в газ при 100 ° С равно 40,66 кДж / моль.

Эндотермическая реакция. Экзотермическая реакция.

Для чего нужна энтальпия?

Энтальпия используется для точного измерения изменений энергии, возникающих в системе, при приеме или выделении энергии в окружающую среду.

Энтальпия - это сложное понятие термодинамики, которое обычно не используется в повседневной жизни, поскольку мы не рассчитываем энергию, необходимую, например, для нагрева воды для чая. Тем не менее, можно понять, как это работает с повседневным примером.

Когда мы кипятим воду, ее температура постепенно повышается, пока не достигнет точки кипения (100 ° C). В данном случае речь идет об отрицательной энтальпии, поскольку термодинамическая система должна была брать энергию из окружающей среды, чтобы повысить ее температуру.

С другой стороны, когда мы даем той же воде немного остыть после кипячения, ее температура начинает постепенно снижаться без необходимости внешнего вмешательства. В этом случае это положительная энтальпия, поскольку энергия выделяется в окружающую среду.

Энтальпия и энтропия

Энтропия - это физическая величина, которая измеряет количество энергии в системе, которая недоступна. Вычисляя эту величину, можно узнать степень беспорядка или хаоса в структуре системы.

Соотношение между энтальпией и энтропией определяется равновесием системы. При меньшей энтальпии (обмене энергией) система стремится к равновесию; но в то же время энтропия возрастает, поскольку в системе существует большая вероятность хаоса.

Со своей стороны, минимальная энтропия подразумевает более низкий уровень хаоса и, следовательно, обмен энергией (энтальпия) будет больше.

Рождаемость: что это, формула и примеры

Что такое рождаемость ?: Это называется рождаемость, общий коэффициент рождаемости или рождаемость к числу рождений, которое происходит в .

Периметр: что это, как рассчитать, формула и примеры

Что такое периметр? Периметр - это измерение, полученное в результате суммирования сторон плоской геометрической фигуры. Я имею в виду, периметр .

Кулоновский закон: что это, формула и примеры

Что такое закон Кулона? Закон Кулона используется в области физики для расчета электрической силы, действующей между двумя зарядами в состоянии покоя. А .

Читайте также: