Entalpia


Entalpia w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

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 + p V {\displaystyle H=U+pV}

gdzie: H – entalpia układu, Uenergia wewnętrzna układu, pciśnienie, Vobjętość

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 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:

d H = d U + p d V + V d p {\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:

Spis treści

Entalpia jako zawartość ciepła | edytuj kod

Z definicji entalpii i I zasady termodynamiki:

d H = d Q + d W e + V d p {\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:

d H = d Q {\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:

Δ Q = Δ H {\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 = H m {\displaystyle h={\frac {H}{m}}}

Dla entalpii właściwej można zapisać wzór definicyjny w następującej postaci:

h = u + p v {\displaystyle h=u+pv}

gdzie: u – energia wewnętrzna właściwa, vobjętość właściwa

Zależność entalpii od temperatury | edytuj kod

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

d H = C p d T {\displaystyle dH=C_{p}dT}

lub

d H = c p m d T {\displaystyle dH=c_{p}mdT}

gdzie: cpciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, m – masa substancji

Entalpia standardowa | edytuj kod

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 ΔHƟ. Oznaczając entalpie, jak i entalpie standardowe wprowadza się do symbolu entalpii oznaczenie przemiany ΔprzemH, gdzie przem oznacza przemianę, stosowany jest też zapis ΔHprzem.

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 | edytuj kod

Inne | edytuj kod

Z definicji oraz wyrażenia na energię wewnętrzną dla procesów odwracalnych:

U = T S p V + i = 1 N μ i N i {\displaystyle U=TS-pV+\sum _{i=1}^{N}{\mu _{i}N_{i}}}

wynika:

d H = T d S + V d p + i = 1 k μ i d N i {\displaystyle dH=TdS+Vdp+\sum _{i=1}^{k}{\mu _{i}dN_{i}}}

Z zależności tej wynika:

T = ( H S ) p , N 1 , , N k {\displaystyle T=\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\right)_{p,N_{1},\dots ,N_{k}}} – związek z temperaturą V = ( H p ) S , N 1 , , N k {\displaystyle V=\left({\frac {\partial H}{\partial p}}\right)_{S,N_{1},\dots ,N_{k}}} – związek z objętością μ i = ( H N i ) S , p , N 1 , , N i 1 , N i + 1 , , N k {\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: Uenergia wewnętrzna, pciśnienie, Vobjętość, Sentropia.

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 | edytuj kod

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

W równaniu:

d U = T d S p d V {\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:

d H = T d S + V d p {\displaystyle dH=TdS+Vdp}

Zobacz też | edytuj kod

Uwagi | edytuj kod

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

Przypisy | edytuj kod

  1. Witold Tomassi, Helena Jankowska: Chemia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1980, s. 34. ISBN 83-204-0179-8.
  2. First Law of Thermodynamics.

Bibliografia | edytuj kod

Na podstawie artykułu: "Entalpia" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy