Entalpie

Entalpie (zastarale "tepelný obsah") je veličina vyjadřující tepelnou energii uloženou v dané látce. Jedná se o stavovou funkci termodynamické soustavy. Je určená vztahem pro soustavu s neměnným počtem částic, s vnitřní energií $U$ , tlakem $p$ a s objemem $V$ soustavy. Matematicky je definována:

H=U+pV

Motivace[upravit | editovat zdroj]

Vychází z 1. termodynamického zákona: systém může konat práci jen tehdy, poklesne-li jeho vnitřní energie $U$ nebo je-li mu dodáno teplo $Q$ :

\Delta {U}=Q-W

V této znaménkové konvenci je práce $W$ kladná, koná-li ji systém na okolí (např. expanze plynu).

Zvyšuje-li systém svůj objem $\Delta {V}$ proti vnějšímu tlaku $p$ , koná při tom mechanickou práci:

W=p\Delta V

Vzhledem k předchozí rovnici můžeme psát, že

Q=\Delta U+p\Delta V

Proto byla definována funkce $H$ (entalpie, tepelný obsah):

H=U+pV

Jednotkou entalpie v systému SI je joule (J).

Je možné také zavést měrnou entalpii $h$ vztahem

h={\frac {H}{m}}

kde $m$ značí hmotnost. Jednotkou měrné entalpie je poté v systému SI joule na kilogram látky (J·kg^-1).

Vztah k vnitřní energii[upravit | editovat zdroj]

Vnitřní energie $U$ je vhodná pro vyjadřováni energetických změn dějů probíhajících za stálého objemu, entalpie se s výhodou používá pro výpočet energetických změn za stálého tlaku. Jelikož většina chemických procesů probíhá za stálého tlaku, je entalpie v chemické termodynamice častěji používanou veličinou než vnitřní energie.

Pakliže bychom znali hodnoty entalpií reagujících složek v chemické reakci, byl by výpočet jednoduchý. Problém však nastává v tom, že nedovedeme určit absolutní hodnoty entalpií. Vždy se totiž zjišťuje jen změna této funkce, ke které dochází, když látka přechází z jednoho stavu do druhého (z výchozího do konečného). Proto se zavádí v chemické termodynamice stupnice relativních hodnot entalpií. Nulová hodnota entalpie je entalpie prvků v základním stavu, v jejich stabilní formě – při tlaku 101,325 kPa a při teplotě 298,15 K (25 °C). Pouze v tomto stavu lze jejich entalpie změřit.

Význam entalpie[upravit | editovat zdroj]

Zavedením entalpie se značně zjednoduší termodynamické vztahy pro izobarické děje. Jestliže soustava přijímá teplo a koná objemovou práci, bude rovnice pro výpočet změny vnitřní energie:

\Delta U=Q-W

v diferenciálním tvaru:

dU=\Delta Q-p\cdot dV

Jde-li o práci reverzibilní, pak $p$ označuje tlak soustavy. Je-li tento tlak konstantní (při izobarickém ději), můžeme rovnici $H=U+pV$ napsat ve tvaru:

\delta Q=dU+d(pV)=d(U+pV)=dH

Pro izobarický děj tedy platí, že teplo přijaté soustavou se rovná zvýšení entalpie soustavy.

Její význam je také při posuzování procesů v tepelných strojích, ve kterých je látka přiváděna a odváděna při stálém tlaku. Jestliže látka koná ve stroji při expanzi práci bez přívodu a odvodu tepla, je tato práce při jednom cyklu úměrná rozdílu entalpie látky (počáteční a konečný stav).

\Delta H=Q

Reakční teplo[upravit | editovat zdroj]

Reakční teplo $\Delta H$ je množství tepla, které soustava s okolím vymění při reakci. Reakce probíhá za konstantního tlaku v rozsahu 1 molu základních reakčních přeměn. Jak již víme, při izobarických dějích vyjadřuje výměnu tepla mezi soustavou a okolím právě entalpie.

\Delta H=H_{2}-H_{1}

$H_{1}$ značí entalpi na začátku (reaktanty), $H_{2}$ značí entalpi na konci (produkty).

H>0

jedná se o endotermickou reakci, soustava přijmá teplo z okolí

H<0

jedná se o exotermickou reakci, soustava odovzdává teplo do okolí

Grafické vyjádření :

Rozdělení[upravit | editovat zdroj]

Reakční teplo můžeme rozdělit dle toho, zda při reakci vznikne z prvků sloučenina, nebo zdali se sloučenina spálí v nadbytku kyslíku. Výpočet reakčních tepel je umožněn díky 2. termodynamickému zákonu.

Standardní slučovací teplo[upravit | editovat zdroj]

$\Delta H_{298}^{0}$ [ kJ.mol^-1]. Je reakčním teplem reakce, při kterém vznikne 1 mol sloučeniny z prvků. Podmínkou vzniku je standardní stav prvků i produktů, to je teplota 298,15 K, tlak 101,325 kPa. Standardní slučovací tepla prvků jsou vždy nulová.

Standardní spalné teplo[upravit | editovat zdroj]

$\Delta H_{298}^{0}$ [kJ.mol⁻¹]. Je reakčním teplem reakce, při kterém je 1 mol látky spálen. Opět platí, že prvky a produkty musí být ve standardním stavu. Spalná tepla prvků jsou nenulová.