6.6: Энтальпия

Химики обычно используют свойство, известное как энтальпия (H), для описания термодинамики химических и физических процессов. Энтальпия определяется как сумма внутренней энергии системы (E) и математического продукта ее давления (P) и объема (V):

Энтальпия - это функция состояния. Значения энтальпии для конкретных веществ нельзя измерить напрямую; могут быть определены только изменения энтальпии для химических или физических процессов. Для процессов, которые происходят при постоянном давлении (обычное условие для многих химических и физических изменений), изменение энтальпии (& Delta; H ) составляет:

Математическое произведение PΔV представляет работу (w), а именно, работу по расширению или по давлению-объему. По своим определениям, арифметические признаки ΔV и w всегда будут противоположными:

Подстановка этого уравнения и определение внутренней энергии при постоянном давлении (ΔE = qp + w) в уравнение энтальпии-изменения дает:

где qp — тепло реакции в условиях постоянного давления.  

Таким образом, если химический или физический процесс выполняется при постоянном давлении с единственной работой, выполняемой вследствие расширения или сжатия (P-V работа), то тепловой поток (qp) и изменение энтальпии (ΔH) для процесса равны.

Тепло, выделяемое при работе горелки Бунзена, равно энтальпирующей смене реакции сгорания метана, которая происходит, так как происходит при существенно постоянном давлении в атмосфере. Химики обычно проводят эксперименты в нормальных атмосферных условиях при постоянном внешнем давлении с qp = ΔH, что делает энтальпию наиболее удобным выбором для определения изменений температуры химических реакций.

Отрицательное значение изменения энтальпии, ΔH < 0, указывает на экзотермическую реакцию (тепло, выделенное окружающей среде); положительное значение, ΔH > 0, указывает на эндотермическую реакцию (тепло, поглощенное окружающей средой). Если направление химического уравнения противоположно, то изменяется арифметический знак его ΔH (процесс, который является эндотермическим в одном направлении, является экзотермическим в противоположном направлении).

Концептуально, ΔE (мера тепла и работы) и ΔH (мера тепла при постоянном давлении) представляют изменения в функции состояния системы. В процессах, где изменение объема, ΔV, невелико (плавление льда), и ΔE и ΔH идентичны. Однако, если изменение объема значительно (испарение воды), то количество энергии, передаваемой в качестве работы, будет значительным; таким образом, ΔE и ΔH имеют значительно разные значения.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 5.3: Энтальпия.

"

Некоторые химические реакции выделяют огромное количество тепла и воздействуют на окружающую среду, например, при сгорании ракетного топлива космический шаттл отрывается от земли. Сумма тепла q и работы w представляет собой изменение внутренней энергии ΔE, как это определено первым законом термодинамики. Для химических реакций с участием газов, происходящих при атмосферном давлении, выполняемая работа это механическая работа, связанная с изменением объема расширением или сжатием.

Следовательно, работа равна отрицательному значению давления, умноженному на изменение объема. Замена w в первом законе термодинамики и перестановка членов в уравнении показывает, что q равно ΔE плюс P, умноженное на ΔV, что дает выражение для теплового потока при постоянном давлении. В других химических реакциях, таких как сжигание дров чтобы приготовить пищу, более уместно количественное определение выделяемого тепла для ее приготовления, чем измерение объема работы по расширению, производимой в окружающей среде.

Поскольку внутренняя энергия учитывает как тепло, так и работу, ΔE не используется для условий постоянного давления. Чтобы рассматривать исключительно поток энергии в форме тепла, определена новая термодинамическая функция энтальпия. Энтальпия H равна сумме внутренней энергии E и произведения давления на объем PV.Поскольку энергия, давление и объем являются функциями состояния, энтальпия также является функцией состояния.

Абсолютные значения энтальпии для определенных веществ не могут быть измерены. Можно определить только изменение энтальпии. Изменение энтальпии, ΔH, равно изменению внутренней энергии, ΔE, плюс P, умноженное на ΔV.Вспоминая, что изменение энергии является суммой тепла и произведения давления и объема, уравнения можно объединить, чтобы показать, что в условиях постоянного давления ΔH равно теплоте q, полученной или потерянной системой.

Если система теряет энергию в окружающую среду в виде тепла, как при сжигании дерева, температура окружающей среды повышается. Это описывается знаком минус для q. Следовательно, ΔH становится отрицательным, и процесс описывается как экзотермический.

Напротив, если система получает энергию из окружающей среды в виде тепла например, в реакции, происходящей в химической холодильной упаковке температура окружающей среды падает. Теплота в этом случае описывается положительным знаком. Это делает ΔH положительным, и процесс называется эндотермическим.

Enthalpy (H) – A measure of total heat content in a system, including internal energy and pressure-volume work. Enthalpy change (ΔH) – The heat exchanged in a process at constant pressure; positive for endothermic, negative for exothermic. Exothermic reaction – A reaction that releases heat to the surroundings; ΔH is negative. Endothermic reaction – A reaction that absorbs heat from the surroundings; ΔH is positive. State function – A property like enthalpy or energy that depends only on the system’s current state, not its path.

Define Electron Configuration – Apply principles to determine electron positions in orbitals (e.g., Aufbau) Analyze Subshell Order – Identify orbital filling sequences based on energy levels (e.g., 4s) Identify Configuration Exceptions – Explain deviations in electron filling for stability (e.g., Cr) Explain Mechanism or Process – Describe how shielding, penetration, and repulsion affect orbital energy Apply in Context – Use configurations to interpret periodic table group behaviors and atomic properties

What is enthalpy and how is it used to measure heat in chemical reactions? How does enthalpy change indicate if a reaction is exothermic or endothermic? Why is enthalpy considered a state function in thermodynamics?

Students – Learn effective strategies for studying and memorizing complex lists Educators – Teach memory techniques with concrete and engaging examples Researchers – Explore cognitive tools used in learning and memory enhancement Science Enthusiasts – Discover fun, structured ways to remember scientific facts