Entalpia

Z Wikipedii

Entalpia $H$ (zawartość ciepła) - w termodynamice i chemii wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez H, 'h' lub χ, którą definiuje zależność:

$H=U+p\cdot{V}$

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.^[1]

Wszystkie wielkości definiujące entalpię są funkcjami stanu, dlatego entalpia też jest funkcją stanu.

Nieskończenie małą zmianę entalpii określa wzór:

$dH = dU + pdV + Vdp \,$

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:

Spis treści

1 Entalpia jako zawartość ciepła
- 1.1 Zależność entalpii od temperatury
2 Entalpia standardowa
3 Entalpia przemian
4 Inne
5 Zobacz też
6 Przypisy
7 Bibliografia

[edytuj] Entalpia jako zawartość ciepła

Z definicji entalpii i I zasady termodynamiki:

$dH = dQ - dW_e + Vdp \,$

Gdy układ nie wykonuje pracy nieobjętościowej oraz gdy ciśnienie jest stale, wówczas zmiana entalpii jest równa ciepłu dostarczonemu do układu:

$dH = dQ \,$

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:

$\Delta Q = \Delta H \,$

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:

$h=\frac{H}{m}$

Dla entalpii właściwej można zapisać wzór definicyjny w następującej postaci:

$h=u+p\cdot{v}$

gdzie:

$u$ - energia wewnętrzna właściwa,
$v$ - objętość właściwa.

[edytuj] Zależność entalpii od temperatury

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

$dH = C_p dT \,$

lub

$dH = c_p m dT \,$

gdzie:

c_p - ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu
m - masa substancji.

[edytuj] 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 $\Delta H^\ominus$ . Oznaczając entalpie jak i entalpie standardowe wprowadza się do symbolu entalpii oznaczenie przemiany $Δ p r z e m H$ , gdzie przem oznacza przemianę, stosowany jest też zapis $Δ H p r z e m$ .

Entalpie standardowe tworzenia 1 mola 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 H₂ - 0, H - +217,97 kJ/mol, tlen 0₂ - 0, woda (ciecz) - -285,83 kJ/mol, (gaz) - -241,82 kJ/mol.

[edytuj] Entalpia przemian

**Wybrane oznaczenia entalpii przemian**
Przemiana	Opis	Oznaczenie
Przejście fazowe	faza a -> faza b	$Δ p . f . H$
Rozpuszczanie	Substancja rozpuszczana -> roztwór	$Δ r o z H$
Reakcja	substraty -> produkty	$Δ r H$
Tworzenie	pierwiastki -> związek chemiczny	$Δ t w H$

[edytuj] Inne

Z definicji oraz wyrażenia na energię wewnętrzną dla procesów odwracalnych:

$U=TS-pV+ \sum_{i=1}^{N}{\mu_i N_i}$

wynika:

$dH = TdS +Vdp + \sum_{i=1}^k {\mu_i dN_i}$

Z zależności tej wynika:

$T = \left( \frac{\partial H}{\partial S} \right)_{p,N_1,\dots,N_k}$ - związek z temperaturą

$V = \left( \frac{\partial H}{\partial p} \right)_{S,N_1,\dots,N_k}$ - związek z objętością

$\mu_i = \left( \frac{\partial H}{\partial N_i} \right)_{S,p,N_1,\dots,N_{i-1},N_{i+1},\dots,N_k}$ - związek z potencjałem chemicznym

gdzie

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.