Entalpia (H) (zawartość ciepła) — w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii , będąca też potencjałem termodynamicznym , oznaczana przez H, h,I lub χ, którą definiuje zależność:

gdzie:

• — entalpia układu
• — energia wewnętrzna układu
• — ciśnienie
• — objętość

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 oraz iloczynu pV, który jest równy pracy jaką należy wykonać nad otoczeniem by w danych warunkach uzyskać miejsce na układ.^[1]

Wszystkie wielkości definiujące entalpię są funkcjami stanu, dlatego entalpia też jest funkcją stanu.

Nieskończenie małą zmianę entalpii określa wzór:

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:

Entalpia jako zawartość ciepła

Z definicji entalpii i I zasady termodynamiki :

Gdy układ nie wykonuje pracy nieobjętościowej oraz gdy ciśnienie jest stałe, wówczas zmiana entalpii jest równa ciepłu dostarczonemu do układu:

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:

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:

Dla entalpii właściwej można zapisać wzór definicyjny w następującej postaci:

gdzie:

• — energia wewnętrzna właściwa
• — objętość właściwa

Zależność entalpii od temperatury

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

lub

gdzie:

• — ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu
• — masa substancji

Entalpia standardowa

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

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 H₂ – 0, H – +217,97 kJ/mol, tlen O₂ – 0, woda (ciecz) – −285,83 kJ/mol, (gaz) – −241,82 kJ/mol.

Entalpia przemian

Wybrane oznaczenia entalpii przemian

Przemiana	Opis	Oznaczenie
Przejście fazowe	faza a → faza b
Rozpuszczanie	Substancja rozpuszczana → roztwór
Reakcja	substraty → produkty
Tworzenie	pierwiastki → związek chemiczny

Inne

Z definicji oraz wyrażenia na energię wewnętrzną dla procesów odwracalnych:

wynika:

Z zależności tej wynika:

- związek z temperaturą

- związek z objętością

- związek z potencjałem chemicznym

gdzie

• — energia wewnętrzna ,
• — ciśnienie ,
• — objętość
• — Entropia

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.

Zobacz też

• funkcja stanu ,
• potencjały termodynamiczne ,
• energia swobodna ,
• energia wewnętrzna ,
• entalpia swobodna ,
• sprężanie ,
• rozprężanie ,
• maszyna cieplna ,
• spalanie ,
• turbina parowa .

Przypisy

Bibliografia

• R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach, Termodynamika
• Peter William Atkins: Chemia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001, s. 124. ISBN .