Entalpia

termodynamiczna funkcja stanu

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:

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 edytuj

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:

Zależność entalpii od temperatury edytuj

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

 

lub

 

gdzie:  ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu,   – masa substancji.

Entalpia standardowa edytuj

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
    2
    O
    ): −285,83 kJ/mol
  • para wodna: −241,82 kJ/mol

Entalpia przemian edytuj

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

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:

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 edytuj

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 edytuj

Uwagi edytuj

  1. Małą literę stosuje się w ujęciu ogólnym, dużą dla wielkości molowej[2].

Przypisy edytuj

  1. entalpia, [w:] Encyklopedia PWN [dostęp 2021-12-20].
  2. Witold Tomassi, Helena Jankowska: Chemia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1980, s. 34. ISBN 83-204-0179-8.
  3. First Law of Thermodynamics.
  4. Peter Atkins, Chemia fizyczna, wyd. 1 (3 dodr.), Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2012, s. 65, ISBN 978-83-01-13502-7.

Bibliografia edytuj