Entalpija: definīcija, nozīme un pielietojums fizikā un inženierijā
Entalpija: skaidra definīcija, nozīme un reāli pielietojumi fizikā un inženierijā — aprēķini, piemēri un soli pa solim skaidrojumi. Uzzini vairāk!
Entalpija (apzīmēta ar H) ir termodinamisks stāvokļa lielums, kas raksturo sistēmas enerģiju, iekļaujot tās iekšējo enerģiju un spiediena‑tilpuma darbu. Matemātiski to definē kā
H = U + pV,
kur U ir iekšējā enerģija, p — spiediens un V — tilpums. Entalpija ir stāvokļa funkcija, tātad tās izmaiņas starp diviem stāvokļiem ir ceļa neatkarīgas.
Vēsturisks un terminoloģisks skaidrojums
Termins radies no grieķu vārda "enthalpos" (ενθαλπος), kas nozīmē "ievietot siltumu". To 1909. gadā lietoja holandiešu fiziķis Heike Kamerlingh Onnes. Entalpija tiek izmantota, kad jāvērtē siltuma apmaiņa un darba attiecības sistēmās, īpaši pie konstanta spiediena.
Sakarības un diferenciālie vienādojumi
Izmantojot pirmo termodinamikas likumu un definīciju H = U + pV, iegūst diferenciālo formu:
dH = dU + p dV + V dp.
Ja pieņemam reversīvu procesu, kur dU = T dS − p dV (T — temperatūra, S — entropija), tad
dH = T dS + V dp.
No šīs izteiksmes redzams, ka pie konstantā spiediena (dp = 0) entalpijas izmaiņa vienādojas ar pievadīto siltumu:
ΔH = Q_p (siltuma daudzums pie konstantā spiediena).
Saskaņa ar praktiskām īpašībām un vienībām
Entalpija nav tieši "enerģija" tādā paša veidā kā U, taču norāda uz enerģijas daļu, kas ietver pV darba komponenti. Parasti lieto šādas formas:
- molarā entalpija H_m vai molarā (kJ/mol) — entalpija uz vienu molu;
- īpašā (specifiskā) entalpija h = H/m (kJ/kg) — entalpija uz masas vienību;
- starptautiskā sistēma (SI) — džouli (J), bieži praktiski lieto kJ vai kJ/mol.
Saistība ar siltuma ietilpību
Pieņemot, ka sistēmas spiediens nemainās un īpašā siltumietilpība pie konstantā spiediena Cp ir zināma, entalpijas izmaiņas temperatūras maiņas gadījumā aprēķina kā:
ΔH = ∫ Cp dT — ideālā gāzes gadījumā (ja Cp ir uzskatāms par konstantu): ΔH ≈ Cp ΔT.
Signāls un interpretācija
- ΔH > 0 — process ir endotermisks: sistēma absorbē siltumu no apkārtējās vides;
- ΔH < 0 — process ir eksotermisks: sistēma izdala siltumu.
Praktiskais pielietojums fizikā un inženierijā
Entalpija ir centrāls lielums daudzās inženiertehniskās un fizikas nozarēs:
- Kemiskās reakcijas — aprēķina reakcijas entalpiju (ΔH_rxn), standartās entalpijas (ΔH°f), dedzināšanas entalpiju un citus termiskus parametrus;
- Fazeņu pārejas — entalpija tvaika kondensācijai, iztvaikošanai (entalpija iztvaikošanai), kušanai (entalpija saplūšanas);
- Procesu inženierija — siltuma apmaiņas aprēķini, kalorimetrija un reaktoru termodinamika;
- Siltuma dzinēji un turbīnas — darba un siltuma aprēķinos izmanto entalpiju (piem., stāvokļu maiņai caur siltummaini vai turbinu);
- HVAC un atdzesēšanas sistēmas — entalpijas diagrammas un Molliera (h–s) diagrammas plaši lieto, lai analizētu cirkulējošos procesus;
- Plūsmas sistēmas (atklātās sistēmas) — speciālā entalpija (h) izmanto, aprēķinot enerģijas bilanci caur strāvojošiem elementiem (kompresori, turbīnas, siltummaiņas).
Mērvienu piemēri un mērījumi
Entalpiju mēra netieši, izmantojot kalorimetriju, vai tiek noteikta no tabulām (piem., tvaika tabulas, termodinamikas tabulas ķīmiskām vielām). Bieži sastopamās vienības:
- J (džouls) vai kJ (kilodžouls) — enerģijas vienības;
- kJ/mol — molārā entalpija ķīmiskās reakcijās;
- kJ/kg — specifiskā entalpija inženierijas aprēķinos.
Vienkāršs piemērs
Ja viens mols ideālas gāzes tiek uzkarsēts par ΔT un Cp (molarā) ir zināma, entalpijas izmaiņa ir aptuveni
ΔH ≈ Cp · ΔT.
Tas nozīmē, ka, lai aprēķinātu nepieciešamo siltuma daudzumu pie konstantā spiediena, var vienkārši reizināt Cp ar temperatūras pieaugumu.
Noslēgums
Entalpija ir ērts un praktisks lielums, jo pie konstantā spiediena tieši saista sistēmas entalpijas izmaiņas ar saņemto vai atdoto siltumu. Tā nodrošina skaidru un pielietojamu pamatu termodinamikas problēmu risināšanai gan teorētiskā līmenī, gan inženiertehniskā praksē — no ķīmiskām reakcijām līdz tvaika turbīnām un HVAC sistēmām.
Entalpija un ķīmiskās reakcijas
Ķīmiskās reakcijas laikā viela var kļūt siltāka vai aukstāka. Tā rezultātā siltums plūst uz apkārt esošajām lietām vai no tām, līdz temperatūra atkal kļūst vienāda. Ja spiediens paliek nemainīgs, šis siltuma daudzums norāda, cik ļoti mainījusies entalpija.
Piemēram, ja benzīns tiek sadedzināts brīvā dabā, no benzīna izdalās siltums. Ja pieņemam, ka izdalījās 100 kilodžouli siltuma, tad benzīna entalpija samazinājās par 100 kilodžouliem. Tāpēc šīs reakcijas entalpijas izmaiņas bija ∆H = -100 kJ.
Ja ķīmiskā reakcija izdala siltumu (sasilda apkārtējā vide), tad tiek uzskatīts, ka reakcijas entalpija ir samazinājusies. ∆H vērtība ir negatīva. Šāda veida reakciju, tāpat kā iepriekš minētajā piemērā, sauc par eksotermisku.
Ja ķīmiskā reakcija absorbē siltumu (atdzesē apkārtējo vidi), tad reakcijas entalpija ir palielinājusies. ∆H vērtība ir pozitīva. To sauc par endotermisko reakciju.
Saistītās lapas
- Termodinamiskais potenciāls
- Entropija
- Gibsa brīvā enerģija
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir entalpija?
A: Entalpija ir jēdziens, ko izmanto zinātnē un inženierzinātnēs, lai aprēķinātu siltumu un darbu vielā.
J: No kurienes cēlies nosaukums "entalpija"?
A: Nosaukums "entalpija" cēlies no grieķu vārda "enthalpos" (ενθαλπος), kas nozīmē "ievietot siltumu".
J: Kas radīja ideju un vārdu "entalpija"?
A: Holandiešu zinātniece Heike Kamerlinga Onnesa (Heike Kamerlingh Onnes) 1909. gadā radīja ideju un vārdu "entalpija".
J: Kā entalpija ir saistīta ar enerģiju?
A: Entalpija raksturo enerģiju, kas tiek patērēta vai atbrīvota, vielai augot vai sarūkot, bet tā nav tas pats, kas enerģija.
J: Kāpēc zinātnieki bieži aprēķina entalpijas izmaiņas, nevis enerģijas izmaiņas?
A: Zinātnieki bieži aprēķina entalpijas izmaiņu, jo tā ņem vērā enerģiju, kas tiek patērēta vai atbrīvota, vielai mainot izmēru.
J: Kas notiek, kad siltumenerģija nonāk sistēmā, kurā ir fiksēts gāzes daudzums?
A: Kad siltuma enerģija nonāk sistēmā, kurā ir fiksēts gāzes daudzums, tā var vai nu palielināt gāzes iekšējo enerģiju, vai arī veikt darbu, lai paplašinātu sistēmu.
J: Kā entalpija ņem vērā spiediena un tilpuma faktorus?
A: Entalpija ņem vērā spiediena un tilpuma faktorus, ņemot vērā paveikto darbu, kas ir spiediena un tilpuma reizinājums.
Meklēt