Что такое Энтальпия? Определение, Уравнения, Единицы, Примеры

Термодинамика — это отрасль науки, в которой изучается связь между работой, теплотой, температурой и энергией. Каждый день мы сталкиваемся с событиями, которые включают излучение и поглощение тепла, например, «Когда лед тает». Тема «Энтальпия» — это функция состояния, поэтому, чтобы изучить, что такое энтальпия, нам нужно понять, что такое функция состояния.

Что такое Государственная функция?

В принципе, температуру вещества можно изменить путем нагревания или охлаждения. Итак, в функции State важно просто изменить температуру, а путь или траектория не рассматриваются. Поэтому можно сказать, что функция состояния зависит только от текущего состояния/начального состояния и конечного состояния.

Некоторыми примерами функций состояния являются температура, давление, внутренняя энергия, энтальпия и т. д.

Внутренняя энергия (U)

Каждое вещество содержит определенное количество запасенной в них энергии, эта энергия есть не что иное, как Внутренняя энергия вещества (системы) и обозначается U . Энергия внутри вещества представляет собой сумму всей кинетической и потенциальной энергии и всей другой энергии, присутствующей в частицах вещества.

Итак, изменение внутренней энергии можно представить как:

ΔU = Q + W

куда:

• Q — теплопередача между веществом и окружающей средой, а
• W - выполненная работа.

Это также известно как первый закон термодинамики.

Изобарический процесс

В термодинамике, когда давление в системе остается постоянным на протяжении всего процесса, называется изобарическим процессом. Итак, первый закон термодинамики становится

ΔU = Q _p – P _исх × ΔV

или же

Q _{p =} ΔU + P _исх × ΔV

куда:

• Q _p – работа, совершаемая в изобарическом процессе, и
• _Ризв внешнее давление.

Энтальпия (H)

Enthalpy is simply defined as the sum of internal energy and the energy that is resulted due to its pressure and volume. 

Итак, энтальпия может быть представлена как:

Н = У + ПВ

куда:

• U — внутренняя энергия,
• P - давление и
• V - объем.

Здесь U, P и V являются функциями состояния, поэтому H также является функцией состояния. Поскольку энтальпия является функцией состояния, изменение энтальпии (ΔH) будет зависеть от начального и конечного состояний системы.

ΔН ₌ Н2 – _Н1

Здесь H ₁ — энтальпия системы в начальном состоянии, а H ₂ — энтальпия системы в конечном состоянии. Итак, если мы запишем формулу энтальпии ( H = U + PV ) в аналогичной форме

H ₁ = U ₁ + P ₁ V ₁ и H ₂ = U ₂ + P ₂ V ₂

Итак, если мы поместим приведенное выше уравнение в ΔH, мы получим,

ΔH = (U ₂ + P ₂ V ₂ ) – (U ₁ + P ₁ V ₁ )

ΔH = U ₂ + P ₂ V ₂ – U ₁ -P ₁ V ₁

ΔH = (U ₂ – U ₁ ) + (P ₂ V ₂ -P ₁ V ₁ )

ΔH = ΔU + Δ(PV)

куда:

• ΔU — изменение внутренней энергии и
• Δ(PV) — изменение давления и объема.

Теперь при постоянном давлении P1 = P2 = P

ΔH = ΔU + PΔV

Предположим, что давление внутри и снаружи одинаково для этого изобарического процесса (т.е. P _ex = P), тогда формула для изобарического процесса станет,

Q _p = ΔU + PΔV

Таким образом, из двух приведенных выше уравнений мы получаем,

ΔН = Q _р

Таким образом, из этой выведенной формулы мы понимаем, что прирост энтальпии системы равен теплоте, поглощаемой ею при постоянном давлении.

Связь между ΔH и ΔU для химической реакции

ΔH и ΔU связаны уравнением ΔH = ΔU + PΔV при постоянном давлении. Для реакций между твердыми телами и жидкостями ΔV очень мало, потому что изменение давления не оказывает существенного влияния на твердые или жидкие вещества. Итак, для этих реакций вычеркнем PΔV из уравнения и запишем ΔH = ΔU

Однако для реакций с участием газов, на которые легко влияет изменение давления, следует строго учитывать ΔV.

ΔH = ΔU + PΔV

ΔH = ΔU + P(V ₂ – V ₁ )

ΔH = ΔU + PV2 – PV1

куда:

• V ₁ – начальное состояние (объем газовых реагентов) и
• V ₂ – конечное состояние (объем газообразных продуктов).

Здесь мы считаем реагенты и продукт идеальными, поэтому мы можем использовать уравнение идеального газа (PV = nRT).

Предположим, что имеется n ₁ молей газообразных реагентов, которые производят n ₂ молей газообразных продуктов. Тогда уравнение становится

PV ₁ = n ₁ RT и PV ₂ = n ₂ RT

Таким образом, уравнение становится

ΔH = ΔU + n ₂ RT – n ₁ RT

ΔH = ΔU + RT (n ₂ – n ₁ )

ΔH = ΔU + RT Δn

Requirements for ΔH to be equal to ΔU 

1. When the reaction is conducted inside a closed container which prevents the alter of the volume of the system (ΔV = 0). Then change in enthalpy will change as ΔH = ΔU.
2. When there is only solids or liquids involved in the reactions then we can neglect ΔV as the change in them due to the pressure is significant. So, ΔH = ΔU.

There reaction in which the moles of gaseous products and reactants are same (i.e. n₂ = n₁). So, ΔH =ΔU

Работа, проделанная в химических реакциях

Работа, совершаемая при постоянном давлении и температуре, определяется выражением

W = – P _исх × ΔV

Предположим, что P _ex = P, тогда уравнение принимает вид

W = -P( V ₂ – V ₁ )

W = ПВ ₁ – ПВ ₂

Используя уравнение идеального газа,

W = n ₁ РТ – n ₂ РТ

W = -RT (n ₂ – n ₁ )

W= – RT Δn

Примеры проблем

Задача 1. В ходе реакции система поглощает 10 кДж теплоты и совершает над окружающей средой работу 3 кДж. Как изменится внутренняя энергия и энтальпия системы?

Решение:

According to the First law of thermodynamics,

ΔU = Q + W

Q = +10 kJ and W = -3 kJ

(W = -3 kJ because the work is done on the surrounding by the system so the system has lose that energy)

ΔU = 10 kJ – 3 kJ

∴ ΔU = +7 kJ

and, Q_p = ΔH 

∴ Q_p = +10kJ

Thus, the Internal energy increases by 7 kJ and Enthalpy by 10 kJ.

Задача 2: При протекании реакции из системы выделилось 5 кДж теплоты и над системой было совершено 10 кДж работы. Как изменится внутренняя энергия и энтальпия системы?

Решение:

According to first law of thermodynamics,

ΔU = Q + W

Q = -5 kJ, W = +10 kJ

ΔU = -5 kJ +10 kJ = +5 kJ

and Q_p = ΔH

∴Q_p = -5 kJ 

Thus, the Internal energy increases by 5 kJ and Enthalpy decreases by -5 kJ.

Задача 3. Идеальный газ расширяется от объема 5 дм ³ до 15 дм ³ при постоянном внешнем давлении 3,036 х 10 ⁵ Нм ^-2 . Найдите ΔH, если ΔU равно 400 Дж.

Решение:

ΔH = ΔU + PΔV

ΔH = ΔU + P(V₂ – V₁)

Assume that P_ex = P,   P =3.036 *10⁵ N m^-1 

ΔU = 400 J

V₁ = 5 dm³ = 5 × 10^-3 m³

V₂ = 10 dm³ = 15 × 10^-3 m³

Substituting the values in the equation 

ΔH = 400 J + 3.036 × 10⁵ Nm^-2 * (10 × 10^-3 m³ – 5 × 10^-3 m³)

ΔH = 400 J + 3.036 ×10⁵ Nm^-2 * (15 – 5) × 10^-3 m³ 

ΔH = 400 J + 3.036 × 10³ J  

ΔH = 3436 J.

Задача 4. Рассчитайте работу, совершаемую в следующей реакции при использовании 2 молей HCl при постоянном давлении и температуре 420 К.

4HCl (г) + O ₂ (г) → 2Cl ₂ (г) + 2H ₂ O (г)

Укажите, выполняется ли работа системой или над системой.

Решение :

According to the Formula to calculate the work done in chemical reactions,.

W = – Δn RT 

W = – RT ( n₂ – n₁ )

2 moles of HCl react with 0.5 mole of O₂ to give 1 mole of  Cl₂ and 1 mole of H₂O

Hence, n₁ = 2.5, 

           n₂ = 2,

           R = 8.314 JK^-1  mol^-1

           T = 420 K

Substituting the values in the equation,

W = – 8.314 J K^-1 mol^-1 × 420 K × (2 – 2.5) mol

W = -8.314 × 420 × (-0.5) J

W = 1745.94 J

Концептуальные вопросы

Вопрос 1: Объясните функцию состояния на примере.

Отвечать:

Any property of a system whose value depends on the current state of the system and is independent of the path followed to reach that state is called the state function. 

Example,  Temperature.

Вопрос 2: Объясните вкратце Внутреннюю Энергию.

Отвечать:

Every substance is associated with a definite amount of energy. This energy is stored in a substance (System) is called its internal energy and is denoted by U. The internal energy is the sum of kinetic energies of all the molecules, ions and atoms of the system, the potential energies associated with the forces between the particles, the kinetic and potential energies of nuclei and electrons in the particles and the energy associated with existence of mass of the system.

Вопрос 3: Как рассчитать изменение энтальпии?

Отвечать:

The change in enthalpy ( ΔH) can be obtained by 

ΔH = ΔU + RT Δn

Вопрос 4: Что такое изобарический процесс и приведите любые 2 примера.

Отвечать:

Most chemical reactions are run in open containers under constant pressure. In such reactions the volume of the system is allowed to change, such kind of processes are called as Isobaric processes.

Examples : 

1. Boiling of water and its conversion into steam,
2. Freezing of water into ice.

Вопрос 5: Объясните первый закон термодинамики и дайте его математическое уравнение.

Отвечать:

First law of thermodynamics is simply the law of conversation of energy. According to this law the total energy of a system and its surroundings remain constant when the system changes from initial state to final state. The law is stated in different ways but the meaning is the same that the energy  is conserved in all the changes.

Mathematical expression for the First Law of Thermodynamics, 

ΔU = Q + W