Mis on entalpia? Definitsioon, tähendus ja soojustöö selgitus
Mis on entalpia? Selge ja lihtne selgitus: entalpia definitsioon, tähendus ning kuidas arvutada soojust ja tööd konstantsel rõhul — praktilised näited ja valemid.
Entalpia on termodünaamiline suurus, mida kasutatakse soojuse ja töö vahetuse kirjeldamiseks süsteemi ja selle ümbruse vahel, eriti juhul, kui protsess toimub konstantsel rõhul. Termin pärineb kreeka sõnast "enthalpos" (ενθαλπος) — "sisemine soojus" või "soojuse panemine" — ning selle kasutas esimestena teaduslikus kontekstis Heike Kamerlingh Onnes 1909. aastal.
Mis on entalpia matemaatiliselt?
Entalpia tähistatakse tavaliselt H-iga ja selle definitsioon valemina on:
H = U + pV
kus U on süsteemi sisemine energia, p on rõhk ja V on maht. See valem näitab, et entalpia sisaldab nii siseenergiat kui ka süsteemi tööd, mis vajalik selle mahtu hoida (pV).
Entalpia muutus ja seos soojusega
Entalpia muutus ΔH on sageli praktilisem kui sisemise energia muutus, sest paljud keemilised ja füüsikalised protsessid toimuvad atmosfäärirõhul. Olukorras, kus protsess toimub konstantsel rõhul ja ainus töövorm on pV-töö, kehtib:
ΔH = qp
siin qp on süsteemi poolt või süsteemi vastu antud soojushulk konstantsel rõhul. See tähendab, et konstantse rõhu korral näitab entalpia muutus täpselt soojust, mis vahetub süsteemi ja ümbruse vahel.
Diferentsiaalne kuju ja tingimused
Infinitesimaalsete muutuste jaoks kehtib:
dH = dU + p dV + V dp
Kui protsess on pöörduv ja töö on pV-töö, siis dU = δQ − p dV ning seega dH = δQ + V dp. Kui rõhk on konstantne (dp = 0), siis δQ = dH — ehk soojus võrdub entalpia muutusega.
Mõned tähtsad omadused ja erijuhtumid
- Olekufunktsioon: entalpia on olekufunktsioon — selle väärtus sõltub ainult süsteemi hetkeolekust (T, p, koostis), mitte protsessi teest.
- Signatuur: ΔH > 0 — protsess on endotermne (soojust vajalik lisada); ΔH < 0 — eksotermne (soojust eraldub).
- Ideaalgaas: ideaalse gaasi korral sõltub molaarne entalpia peaaegu ainult temperatuurist ja seda võib kirjutada kui Hm ≈ cp T + konst (cp — rõhupüsiv soojusmahtuvus).
- Faasiüleminekud: sulamine, aurustumine jt faasiüleminekud iseloomustatakse entalpia muutusega (latentne soojus). Näiteks vee aurustumise entalpia (ΔHvap) 100 °C juures on ligikaudu 40,7 kJ/mol.
Keemilised reaktsioonid ja standardentalpiad
Keemias kasutatakse sageli moodustumisentalpiaid (ΔH°f) ja reaktsioonientalpiaid standardtingimustes. Vastavalt Hess’i seadusele on reaktsiooni entalpia tee sõltumatu — reageerivate ainete ja produktide olekuentalpiate erinevus annab ΔH, mis võimaldab entalpiat arvutada samm-sammult ja tabelväärtusi kokku liites.
Mõõtühikud ja mõõtmine
Entalpia mõõtühik SI-s on džoul (J). Keemilistes tabelites kasutatakse sageli kJ/mol. Entalpia muutusi mõõdetakse kalorimeetriga — näiteks konstantse rõhu kalorimeeter (bombikalorimeeter on konstantse mahu puhul ja mõõdab ΔU) — ning arvutustes võetakse arvesse massi, soojusmahtuvusi ja faasiüleminekuid.
Kus ja miks entalpiat kasutatakse?
Entalpia on mugav suurus inseneriteadustes ja keemias, sest see arvestab automaatselt pV-tööd ja sellega saadud ΔH vastab lihtsasti mõõdetavale soojushulgale konstantsel rõhul. Praktikas kasutatakse entalpiat:
- keemiliste reaktsioonide soojusanalüüsis (reaktsioonienergia hindamisel),
- soojusvahetite ja kütusekütuste puhul energiabilansi koostamisel,
- faasiüleminekute (nt aurustumine, kondenseerumine) ning termodünaamiliste protsesside projekteerimisel (HVAC, keemiatehnika),
- elektrokeemilistes ja biokeemilistes protsessides energia hindamiseks.
Kokkuvõte
Entalpia (H = U + pV) on kasulik olekufunktsioon, mis kombineerib siseenergia ja pV-tingimuse püsiva töömõju. Konstantse rõhu korral näitab entalpia muutus täpselt vahetatud soojust (ΔH = qp). Entalpia abil on lihtsam kirjeldada ja võrrelda termodünaamilisi protsesse, näiteks keemilisi reaktsioone ja faasiüleminekuid, ning selle tabelväärtused ja seadused (nt Hess’i seadus) on igapäevaselt kasutatavad teaduses ja tehnikas.
Originaali peamised seosed ja märksõnad: soojust, tööd, rõhul, energiaga.
Entalpia ja keemilised reaktsioonid
Kui toimub keemiline reaktsioon, võib aine muutuda soojemaks või külmemaks. Selle tulemusena voolab soojus ümbritsevatesse asjadesse või ümbritsevatest asjadest, kuni selle temperatuur on jälle sama. Kui rõhk jääb samaks, näitab see soojuse hulk, kui palju muutus entalpia.
Näiteks kui bensiini põletatakse vabas õhus, eraldub bensiinist soojust. Kui oletame, et eraldus 100 kilojoule soojust, siis bensiini entalpia vähenes 100 kilojoule'i võrra. Seega oli selle reaktsiooni entalpia muutus ∆H = -100 kJ.
Kui keemiline reaktsioon eraldab soojust (soojendab ümbritsevat keskkonda), siis öeldakse, et reaktsiooni entalpia on vähenenud. ∆H väärtus on negatiivne. Sellist reaktsiooni, nagu eespool toodud näide, nimetatakse eksotermiliseks.
Kui keemiline reaktsioon neelab soojust (jahutab ümbritsevat keskkonda), siis on reaktsiooni entalpia suurenenud. ∆H väärtus on positiivne. Seda nimetatakse endotermiliseks reaktsiooniks.
Seotud leheküljed
- Termodünaamiline potentsiaal
- Entroopia
- Gibbsi vaba energia
Küsimused ja vastused
K: Mis on entalpia?
V: Entalpia on mõiste, mida kasutatakse loodusteadustes ja tehnikas aine soojuse ja töö arvutamiseks.
K: Kust tuleb nimetus "entalpia"?
V: Nimetus "entalpia" tuleneb kreekakeelsest sõnast "enthalpos" (ενθαλπος), mis tähendab "soojuse panemine".
K: Kes mõtles välja idee ja sõna "entalpia"?
V: Hollandi teadlane Heike Kamerlingh Onnes mõtles idee ja sõna "entalpia" välja 1909. aastal.
K: Kuidas on entalpia seotud energiaga?
V: Entalpia kajastab aine kasvamisel või kahanemisel kasutatud või vabanenud energiat, kuid see ei ole sama mis energia.
K: Miks arvutavad teadlased sageli pigem entalpia muutust kui energia muutust?
V: Teadlased arvutavad sageli entalpia muutust, sest see võtab arvesse aine suuruse muutumisel kasutatavat või vabanevat energiat.
K: Mis juhtub, kui soojusenergia siseneb süsteemi, mis sisaldab kindlat gaasikogust?
V: Kui soojusenergia siseneb süsteemi, mis sisaldab fikseeritud gaasikogust, võib see kas suurendada gaasi siseenergiat või põhjustada süsteemi laiendamiseks tehtava töö.
K: Kuidas võtab entalpia arvesse rõhu ja mahu tegureid?
V: Entalpia võtab arvesse rõhu ja mahu tegureid, võttes arvesse tehtud tööd, mis on rõhu ja mahu korrutis.
Otsige