6.6: Entalpia

Chemicy zwykle używają właściwości znanej jako entalpia (H) do opisania termodynamiki procesów chemicznych i fizycznych. Entalpia jest definiowana jako suma energii wewnętrznej układu (E) i matematycznego iloczynu jego ciśnienia (P) i objętości (V):

Entalpia jest funkcją stanu. Wartości entalpii dla określonych substancji nie mogą być mierzone bezpośrednio; Można określić tylko zmiany entalpii dla procesów chemicznych lub fizycznych. Dla procesów, które zachodzą przy stałym ciśnieniu (powszechny warunek wielu zmian chemicznych i fizycznych), zmiana entalpii (ΔH) wynosi:

Iloczyn matematyczny PΔV reprezentuje pracę (w), a mianowicie pracę rozprężania lub pracę ciśnieniowo-objętościową. Zgodnie z ich definicjami, znaki arytmetyczne ΔV i w zawsze będą przeciwstawne:

Podstawienie tego równania i definicji energii wewnętrznej przy stałym ciśnieniu (ΔE = q_p + w) do równania zmiany entalpii otrzymuje:

gdzie q_p jest ciepłem reakcji w warunkach stałego ciśnienia. 

Tak więc, jeśli proces chemiczny lub fizyczny jest przeprowadzany pod stałym ciśnieniem, a jedyna wykonana praca jest spowodowana rozszerzaniem lub kurczeniem się (praca P-V), to przepływ ciepła (q_p) i zmiana entalpii (ΔH) dla procesu są równe.

Ciepło wydzielane podczas pracy palnika Bunsena jest równe zmianie entalpii reakcji spalania metanu, która zachodzi, ponieważ zachodzi przy zasadniczo stałym ciśnieniu atmosfery. Chemicy zwykle przeprowadzają eksperymenty w normalnych warunkach atmosferycznych, przy stałym ciśnieniu zewnętrznym o q_p = ΔH, co sprawia, że entalpia jest najwygodniejszym wyborem do określania zmian ciepła w reakcjach chemicznych.

Ujemna wartość zmiany entalpii, ΔH < 0, wskazuje na reakcję egzotermiczną (ciepło oddawane do otoczenia); wartość dodatnia, ΔH > 0, wskazuje na reakcję endotermiczną (ciepło pochłonięte z otoczenia). Jeśli kierunek równania chemicznego jest odwrócony, zmienia się znak arytmetyczny jego ΔH (proces, który jest endotermiczny w jednym kierunku, jest egzotermiczny w przeciwnym kierunku).

Koncepcyjnie ΔE (miara ciepła i pracy) i ΔH (miara ciepła przy stałym ciśnieniu) reprezentują zmiany w funkcji stanu układu. W procesach, w których zmiana objętości, ΔV, jest mała (topnienie lodu), a ΔE i ΔH są identyczne. Jeśli jednak zmiana objętości jest znaczna (parowanie wody), ilość energii przekazywanej podczas pracy będzie znacząca; w związku z tym ΔE i ΔH mają znacznie różne wartości.

Ten tekst jest adaptacją Openstax, Chemia 2e, Sekcja 5.3: Entalpia.