Entalpia vs belső energia
A kémia tanulmányozása céljából az univerzumot két részre osztjuk, mint rendszert és környezetet. Bármikor a rendszer érdekel minket, a többi pedig a környezet. Az entalpia és a belső energia a termodinamika első főtételéhez kapcsolódó két fogalom, amelyek a rendszerben és a környezetben lezajló reakciókat írják le.
Mi az entalpia?
Amikor egy reakció végbemegy, az elnyelheti vagy hőt fejleszthet, és ha a reakciót állandó nyomáson hajtják végre, ezt a hőt a reakció entalpiájának nevezik. A molekulák entalpiája nem mérhető. Ezért mérik az entalpia változását a reakció során. Adott hőmérsékleten és nyomáson egy reakció entalpiaváltozását (∆H) úgy kapjuk meg, hogy a termékek entalpiájából kivonjuk a reaktánsok entalpiáját. Ha ez az érték negatív, akkor a reakció exoterm. Ha az érték pozitív, akkor a reakciót endotermnek mondjuk. Az entalpia változása bármely pár reaktáns és termék között független a köztük lévő úttól. Ezenkívül az entalpia változása a reaktánsok fázisától függ. Például, amikor az oxigén és a hidrogén gázok reakcióba lépve vízgőz keletkezik, az entalpiaváltozás -483,7 kJ. Ha azonban ugyanazok a reagensek reagálnak folyékony víz előállítására, az entalpiaváltozás -571,5 kJ.
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (g); ∆H=-483,7 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (l); ∆H=-571,7 kJ
Mi a belső energia?
A hő és a munka az energiaátvitel két módja. A mechanikai folyamatokban az energia átkerülhet egyik helyről a másikra, de a teljes energiamennyiség megmarad. A kémiai átalakulásoknál is hasonló elv érvényesül. Vegyünk egy reakciót, például a metán égését.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H 2O
Ha a reakció zárt edényben megy végbe, akkor csak hő szabadul fel. Ezt a felszabaduló enzimet használhatjuk mechanikai munkákra, például turbina vagy gőzgép működtetésére, stb. A reakció során keletkező energiát végtelen sokféleképpen fel lehet osztani hő és munka között. Azt találtuk azonban, hogy a fejlődő hő és az elvégzett mechanikai munka összege mindig állandó. Ez ahhoz az elképzeléshez vezet, hogy a reagensekből a termékekké való átmenetben van valami tulajdonság, amelyet belső energiának (U) neveznek. A belső energia változását ∆U-val jelöljük.
∆U=q + w; ahol q a hő és w az elvégzett munka
A belső energiát állapotfüggvénynek nevezzük, mivel értéke a rendszer állapotától függ, és nem attól, hogy a rendszer hogyan került ebbe az állapotba. Azaz U változása, amikor az „i” kezdeti állapotból „f” végső állapotba megy át, csak az U kezdeti és végső állapotbeli értékétől függ.
∆U=Uf – Ui
A termodinamika első főtétele szerint egy elszigetelt rendszer belső energiaváltozása nulla. Az Univerzum egy elszigetelt rendszer; ezért az univerzum ∆U értéke nulla.
Mi a különbség az entalpia és a belső energia között?
• Az entalpia a következő egyenletben ábrázolható, ahol U a belső energia, p a nyomás és V a rendszer térfogata.
H=U + pV
• Ezért a belső energia az entalpia távon belül van. Az entalpia a következőképpen van megadva:
∆U=q + w
