Entalpia - ce este în cuvinte simple. În termodinamică

Energia internă, energia unui corp, în funcție doar de starea lui internă. Conceptul de energie internă unește toate tipurile de energie ale unui corp, cu excepția energiei mișcării sale în ansamblu și a energiei potențiale pe care o poate poseda un corp dacă se află într-un câmp al unor forțe (de exemplu, într-un câmpul forțelor gravitaționale).

Entalpia (H) este o proprietate a unei substanțe care indică cantitatea de energie care poate fi transformată în căldură.

Entalpia este o proprietate termodinamică a unei substanțe care indică nivelul de energie stocat în structura sa moleculară.

Aceasta înseamnă că, deși o substanță poate avea energie în funcție de temperatură și presiune, nu toată ea poate fi transformată în căldură. O parte din energia internă rămâne întotdeauna în substanță și o susține structura moleculara. Parte energie cinetică o substanță este inaccesibilă atunci când temperatura ei se apropie de temperatura ambiantă. Prin urmare, entalpia este cantitatea de energie disponibilă pentru a fi convertită în căldură la o anumită temperatură și presiune. Unități de entalpie - britanic unitate termică sau joule pentru energie și J/kg pentru energie specifică.

Entalpia sau energia sistemului expandat E este egală cu suma energiei interne a gazului U și a energiei potențiale a pistonului cu sarcina Epot = pSx = pV

Astfel, entalpia într-o stare dată este suma energiei interne a corpului și a muncii care trebuie cheltuite pentru ca un corp de volum V să fie adus în mediu, având o presiune p și fiind în echilibru cu corpul. Entalpia sistemului H - asemănătoare energiei interne - are o valoare foarte specifică pentru fiecare stare: ΔH = H2 − H1

Dacă sistemul revine cumva la starea inițială (proces circular), atunci modificarea oricăruia dintre parametrii săi este egală cu zero și, prin urmare, ΔU = 0 și ΔH = 0.

Entropia este un concept care a apărut pentru prima dată în termodinamică ca măsură a disipării ireversibile a energiei.

Entropia (S (J/K)) este legată de numărul (W) de stări microscopice la fel de probabile care pot realiza o stare macroscopică dată a sistemului, prin ecuație

Unde K este coeficientul de proporționalitate.

În mod ideal, cristalele construite corect la zero absolut au cea mai mică entropie. Entropia unui cristal care are nereguli este puțin mai mare.

Odată cu creșterea temperaturii, entropia crește întotdeauna și, de asemenea, crește atunci când o substanță se transformă dintr-o stare cristalină în stare lichidă și în special în timpul tranziției de la o stare lichidă la o stare gazoasă.

Entropia depinde doar de starea sistemului. Dar relația dintre modificarea entropiei și căldură depinde de modul în care se desfășoară procesul - de viteza acestuia.

Dacă procesul este reversibil și la o temperatură constantă:

Modificați S = Q(arr)/T. Q(arr) - cantitatea de căldură, T - temperatura absolută.

Capacitatea termică și tipurile acesteia.Capacitate termică specifică cu Numiți cantitatea de căldură q necesară pentru a modifica temperatura unei cantități unitare de substanță cu un grad:

Există masa s, volumul s" și capacități termice molare, care au următoarele dimensiuni: s, J/kg K; s", J/nm 3 K; , J/mol K. Aceste capacități termice sunt legate între ele prin relații

(1.15)

unde ν о, ρ о, μ – volum specific, densitate și greutate moleculară gaz în condiții normale (ρ o = 1,013 · 10 5 Pa, T o = 273 K).

Capacitatea termică depinde de natura fizică a fluidului de lucru, temperatură și procesul termodinamic.

În termodinamica tehnică, acestea sunt cel mai des folosite izobaric capacitatea termică cu p (la p = const) şi izocoric cu ν (pentru ν = const).

Relația dintre aceste capacități termice este determinată de relația lui Mayer pentru gaz ideal:

cu р - cu ν = R, (1.16)

unde R este constanta gazului, J/kg K.

Dependența capacității termice de temperatură este adesea neglijată, iar apoi cantitatea de căldură în procesele izobare și izocorice se găsește din expresii

Q p = Ms p (T 2 – T 1) sau q p = c p (T 2 – T 1);

Q ν = Мс ν (Т 2 – Т 1) sau q ν = с ν (Т 2 – Т 1).

Din expresia primei legi a termodinamicii (1.13) și a relației (1.14), putem obține relații pentru determinarea modificării energiei interne Δu și a entalpiei Δh, valabile pentru toate procesele termodinamice:

dq ν = du; du = c ν dT; Δu = u 2 – u 1 = c ν (T 2 – T 1);

dq р = du + рdν = dh; dh = c p dT; Δh = h 2 – h 1 = c p (T 2 – T 1).

Deoarece capacitatea termică se modifică cu temperatura, în funcție de intervalul de temperatură, adevărat cu şi medie cu capacitate termică cf. Capacitatea de căldură adevărată corespunde unui interval de temperatură infinitezimal, iar medie - interval finit de schimbări de temperatură. Capacitățile termice ale principalelor gaze sunt date în cărți de referință, manuale in functie de temperatura.

Entalpie. Se introduce prin calcul: total – H = U + pV sau valoare specifică h = u + pν, entalpia reprezintă o anumită energie egală cu suma energiei interne și produsul presiunii și volumului. Unitatea de măsură a entalpiei H este joule (J) sau h, J/kg. Entalpia este o funcție de stare. Deoarece într-un proces izobaric dH = dQ, putem spune că entalpia este cantitatea de căldură furnizată într-un proces izobaric.

Entropie. Unitatea de măsură a entropiei S este J/K și unitatea specifică s este J/kg·K. Această funcție de stare este introdusă prin calcul și are diferenţial complet Cantitatea de căldură într-un proces termodinamic

Dacă ne imaginăm un proces termodinamic într-o diagramă T-s, atunci aria de sub curba procesului caracterizează cantitatea de căldură furnizată sau îndepărtată.

Entropia nu poate fi măsurată, dar în sensul său fizic este o măsură a valorii temperaturii căldurii, a capacității sale de a fi transformată în muncă. De asemenea, putem spune că entropia caracterizează pierderea de muncă din cauza ireversibilității proceselor reale (în acest caz, entropia crește).

De obicei, la calcularea proceselor termodinamice, nu se determină valorile absolute ale lui u, h, s, ci modificarea procesului Δu, Δh, Δs.

Când lucrați cu orice calcule, calcule și faceți prognoze ale diferitelor fenomene legate de ingineria termică, toată lumea se confruntă cu conceptul de entalpie. Dar pentru persoanele a căror specialitate nu se referă la ingineria energiei termice sau care întâlnesc doar superficial astfel de termeni, cuvântul „entalpie” va inspira frică și groază. Deci, să ne dăm seama, este totul atât de înfricoșător și de neînțeles?

Pentru a spune simplu, termenul entalpie se referă la energia care este disponibilă pentru conversie în căldură la o presiune constantă. Conceptul de entalpie tradus din greacă înseamnă „căldură”. Adică formula care conține suma elementară a energiei interne și a muncii efectuate se numește entalpie. Această valoare este notă cu litera i.

Dacă notăm cele de mai sus mărimi fizice, transformați și deduceți formula, obțineți i = u + pv (unde u este energia internă; p, u sunt presiunea și volumul specific al fluidului de lucru în aceeași stare pentru care este luată valoarea energiei interne). Entalpia este o funcție aditivă, adică entalpia întregului sistem este egală cu suma tuturor părților sale constitutive.

Termenul „entalpie” este complex și cu mai multe fațete.

Dar dacă încerci să-l înțelegi, atunci totul va deveni foarte simplu și clar.

• În primul rând, pentru a înțelege ce este entalpia, merită să știți definiție generală, ceea ce am făcut.
• În al doilea rând, merită să găsiți mecanismul pentru apariția acestei unități fizice, înțelegerea de unde a venit.
• În al treilea rând, trebuie să te conectezi cu ceilalți. unități fizice, care sunt indisolubil interconectate cu ele.
• Și, în sfârșit, în al patrulea rând, trebuie să te uiți la exemple și formule.

Ei bine, mecanismul de funcționare este clar. Trebuie doar să citiți și să înțelegeți cu atenție. Ne-am ocupat deja de termenul „entalpie” și i-am dat și formula. Dar imediat apare o altă întrebare: de unde această formulă și de ce este legată, de exemplu, entropia de energia și presiunea internă?

Esența și sensul

Pentru a încerca să înțelegeți semnificația fizică a conceptului de „entalpie”, trebuie să cunoașteți prima lege a termodinamicii:

energia nu dispare în neant și nu ia naștere din nimic, ci doar trece de la un tip la altul în cantități egale. Un exemplu în acest sens este tranziția căldurii (energia termică) în energie mecanică și invers.

Trebuie să transformăm ecuația primei legi a termodinamicii în forma dq = du + pdv = du + pdv + vdp – vdp = d(u + pv) – vdp. De aici vedem expresia (u + pv). Această expresie este numită entalpie (formula completă a fost dată mai sus).

Entalpia este, de asemenea, o mărime de stare, deoarece componentele u (tensiune) și p (presiune), v (volum specific) au valori specifice pentru fiecare mărime. Știind acest lucru, prima lege a termodinamicii poate fi rescrisă ca: dq = di – vdp.

În termodinamica tehnică, se folosesc valorile entalpiei, care sunt calculate de la un zero acceptat convențional. Toate valorile absolute ale acestor cantități sunt foarte dificil de determinat, deoarece pentru aceasta este necesar să se ia în considerare toate componentele energiei interne ale unei substanțe atunci când starea acesteia se schimbă de la O la K.

Formula și valorile entalpiei au fost date în 1909 de omul de știință G. Kamerlingh-Onnes.

În expresie, i este entalpia specifică pentru întreaga masă corporală, entalpia totală este notată cu litera I conform sistemului universal de unități, entalpia se măsoară în Jouli pe kilogram;

Funcții

Entalpia („E”) este una dintre funcțiile auxiliare, datorită căreia calculele termodinamice pot fi simplificate semnificativ. De exemplu, un număr mare de procese de furnizare a căldurii în ingineria energiei termice (în cazanele cu abur sau în camera de ardere a turbinelor cu gaz și a motoarelor cu reacție, precum și în schimbătoarele de căldură) sunt efectuate la presiune constantă. Din acest motiv, valorile entalpiei sunt de obicei date în tabelele cu proprietăți termodinamice.

Condiția pentru conservarea entalpiei stă, în special, la baza teoriei Joule-Thomson. Sau un efect care a găsit ceva important aplicare practică la lichefierea gazelor. Astfel, entalpia este energia totală a sistemului expandat, reprezentând suma energiei interne și a energiei externe - energia potențială de presiune. Ca orice parametru de stare, entalpia poate fi determinată de orice pereche de parametri de stare independenți.

De asemenea, pe baza formulelor de mai sus, putem spune: „E” al unei reacții chimice este egal cu suma entalpiilor de ardere a substanțelor inițiale minus suma entalpiilor de ardere a produselor de reacție.
În general, o schimbare a energiei unui sistem termodinamic nu este o conditie necesara pentru a modifica entropia acestui sistem.

Deci, aici ne-am uitat la conceptul de „entalpie”. Este demn de remarcat faptul că „E” este indisolubil legat de entropia, despre care puteți citi și mai târziu.

Entalpie vs entropie

Curiozitatea este un aspect al unei persoane care o ajută să descopere diverse fenomeneîn lume. O persoană ridică privirea spre cer și se întreabă cum se formează ploaia. O persoană se uită la pământ și se întreabă cum pot crește plantele. Acesta este un fenomen zilnic pe care îl întâlnim în viața noastră, dar acei oameni care nu sunt suficient de curioși nu încearcă niciodată să găsească răspunsurile de ce există astfel de fenomene. Biologii, chimiștii și fizicienii sunt doar câțiva oameni care încearcă să găsească răspunsuri. Noastre lumea modernă astăzi integrate cu astfel de legi ale științei precum termodinamica. „Termodinamica” este o ramură a științei naturii care implică studiul mișcărilor interne ale sistemelor corpului. Acesta este un studiu al relației dintre căldură și diferite forme de energie și muncă. Aplicațiile termodinamicii sunt evidente în fluxul de electricitate și din simpla rotire și rotire a unui șurub și a altor mașini simple. Atâta timp cât sunt implicate căldura și frecarea, termodinamica există. Cele mai comune două principii ale termodinamicii sunt entalpia și entropia. În acest articol, veți afla mai multe despre diferențele dintre entalpie și entropie.

Într-un sistem termodinamic, măsura energiei sale totale se numește entalpie. Pentru a crea un sistem termodinamic este nevoie de energie internă. Această energie servește ca imbold sau declanșator pentru crearea sistemului. Unitatea de măsură a entalpiei este joule ( Sistemul internațional unități) și calorii (unitatea termică britanică). „Entalpia” este cuvânt grecesc„enthalpos” (a infuza căldură). Heike Kamerlingh Onnes a fost persoana care a inventat cuvântul, în timp ce Alfred W. Porter a fost cel care a desemnat simbolul „H” pentru „entalpie”. În măsurătorile biologice, chimice și fizice, entalpia este expresia cea mai preferată pentru modificările energiei unui sistem, deoarece are capacitatea de a simplifica definițiile specifice ale transferului de energie. Nu este posibil să se atingă o valoare pentru entalpia totală deoarece entalpia totală a sistemului nu poate fi măsurată direct. Doar modificarea entalpiei este măsurarea preferată a cantității, mai degrabă decât valoarea absolută a entalpiei. Reacțiile endoterme au o modificare de entalpie pozitivă, în timp ce reacțiile exoterme au o modificare de entalpie negativă. Mai simplu spus, entalpia unui sistem este echivalentă cu suma lucrului nemecanic și a căldurii furnizate. La presiune constantă, entalpia este echivalentă cu modificarea energiei interne a sistemului și cu munca pe care sistemul l-a exercitat asupra mediului înconjurător. Cu alte cuvinte, căldura poate fi absorbită sau eliberată de o anumită reacție chimică în astfel de condiții.

„Entropia” este a doua lege a termodinamicii. Aceasta este una dintre cele mai fundamentale legi din domeniul fizicii. Acest lucru este important pentru înțelegerea vieții și a cunoașterii. Aceasta este considerată Legea dezordinei. La mijlocul secolului trecut, „entropia” fusese deja formulată cu eforturi ample de către Clausius și Thomson. Clausius și Thomson s-au inspirat din observația lui Carnot asupra fluxului care învârte o roată de moară. Carnot a afirmat că termodinamica este fluxul de căldură de la temperaturi mai mari la cele mai scăzute care face ca o mașină cu abur să funcționeze. Clausius a fost cel care a inventat termenul de „entropie”. Simbolul pentru entropie este „S”, care afirmă că se spune că o lume este activă în mod inerent atunci când acționează spontan pentru a disipa sau a minimiza prezența forței termodinamice.

„Entalpia” este transferul de energie, iar „entropia” este Legea dezordinei.

Entalpia ia simbolul „H”, iar entropia ia simbolul „S”.

Heike Kamerlingh Onnes a inventat termenul „entalpie”, iar Clausius a inventat termenul „entropie”.

Entalpia, de asemenea funcția termică și conținutul de căldură, este un potențial termodinamic care caracterizează starea unui sistem în echilibru termodinamic atunci când se alege presiunea, entropia și numărul de particule ca variabile independente.

Mai simplu spus, entalpia este acea energie disponibilă pentru a fi convertită în căldură la o anumită temperatură și presiune.

Această valoare este determinată de identitatea: H=U+PV

Dimensiunea entalpiei este J/mol.

În chimie este considerat cel mai adesea procese izobare (P= const), iar efectul termic în acest caz se numește modificarea entalpiei sistemului sau entalpia procesului :

Într-un sistem termodinamic, căldura eliberată dintr-un proces chimic a fost considerată negativă (proces exotermic, Δ H < 0), а поглощение системой теплоты соответствует эндотермическому процессу, ΔH > 0.

Entropie

iar pentru spontan

Dependența modificării entropiei de temperatură este exprimată prin legea lui Kirchhoff:

Pentru un sistem izolat, o modificare a entropiei este un criteriu pentru posibilitatea unui proces spontan. Dacă , atunci procesul este posibil; dacă, atunci procesul este imposibil în direcția înainte; dacă, atunci sistemul este în echilibru.

Potențiale termodinamice. Energia liberă a lui Gibbs și Helmholtz.

Pentru a caracteriza procesele care au loc în sisteme închise, introducem noi funcții termodinamice de stare: potențial izobar-izotermic (energie liberă Gibbs G) și potențial izocor-izotermic (energia liberă Helmholtz F).

Pentru un sistem închis în care un proces de echilibru are loc la temperatură și volum constant, exprimăm munca acestui proces. Pe care îl notăm A max (întrucât munca unui proces desfășurat în echilibru este maximă):

A max =T∆S-∆U

Să introducem funcția F=U-TS-potențial izocoric-izotermal, care determină direcția și limita apariției spontane a procesului într-un sistem închis situat în condiții izocoric-izoterme și obținem:

Modificarea energiei Helmholtz este determinată doar de stările inițiale și finale ale sistemului și nu depinde de natura procesului, deoarece este determinată de două funcții de stare: U și S. Să reamintim că cantitatea de muncă primită sau cheltuit poate depinde de metoda de desfășurare a procesului atunci când sistemul trece de la starea inițială la cea finală, dar nu o schimbare a funcției.

Un sistem închis în condiții izobar-izoterme este caracterizat de potențialul izobar-izotermic G:

Energia diferențială Gibbs pentru un sistem cu un număr constant de particule, exprimat în variabile proprii - presiunep și temperaturăT:

Pentru un sistem cu un număr variabil de particule, această diferență se scrie după cum urmează:

Aici este potențialul chimic, care poate fi definit ca energia care trebuie cheltuită pentru a adăuga o altă particulă în sistem.

Analiza ecuației ∆G=∆H-T∆S ne permite să determinăm care dintre factorii care alcătuiesc energia Gibbs este responsabil pentru direcția reacției chimice, entalpia (ΔH) sau entropia (ΔS · T).

Dacă ΔH< 0 и ΔS >0, atunci întotdeauna ΔG< 0 и реакция возможна при любой температуре.

Dacă ΔH > 0 și ΔS< 0, то всегда ΔG >0, iar o reacție cu absorbția de căldură și o scădere a entropiei este imposibilă în orice condiții.

În alte cazuri (ΔH< 0, ΔS < 0 и ΔH >0, ΔS > 0) semnul lui ΔG depinde de relația dintre ΔH și TΔS. O reacție este posibilă dacă este însoțită de o scădere a potențialului izobar; la temperatura camerei, când valoarea lui T este mică, valoarea TΔS este, de asemenea, mică și, de obicei, modificarea entalpiei este mai mare decât TΔS. Prin urmare, majoritatea reacțiilor care apar la temperatura camerei sunt exoterme. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât TΔS este mai mare și chiar și reacțiile endoterme devin fezabile.

Energia Gibbs standard de formare ΔG° se referă la modificarea energiei Gibbs în timpul reacției de formare a 1 mol de substanță în stare standard. Această definiție implică faptul că energia Gibbs standard de formare a unei substanțe simple care este stabilă în condiții standard este zero.

Modificarea energiei Gibbs nu depinde de calea procesului, prin urmare, este posibil să se obțină diferite valori necunoscute ale energiilor de formare Gibbs din ecuații în care, pe de o parte, sumele energiilor de; se scriu produșii de reacție, iar pe de altă parte, sumele energiilor substanțelor inițiale.

Când se utilizează valorile energiei Gibbs standard, criteriul pentru posibilitatea fundamentală a unui proces în condiții nestandard este condiția ΔG°< 0, а критерием принципиальной невозможности - условие ΔG° >0. În același timp, dacă energia Gibbs standard este zero, aceasta nu înseamnă că în condiții reale (altele decât standard) sistemul va fi în echilibru.

Condiții pentru apariția spontană a proceselor în sisteme închise: