Az entalpia az állandó nyomáson lejátszódó folyamatok jellemzésére bevezetett – energia dimenziójú – termodinamikai állapotfüggvény (jele H, mértékegysége J),[1] melynek értéke a rendszer belső energiája plusz a rendszer nyomásának és térfogatának szorzata.[2] A tapasztalat szerint egy rendszer energiatartalma hőtranszferrel, valamint munkavégzéssel növelhető vagy csökkenthető (a termodinamika I. főtétele). Mind a fizikai változások, mind pedig a kémiai reakciók során lehetséges a térfogati munka. Az elemi térfogati munka állandó p nyomás esetén:

Ez a térfogati munka jelentős nagyságú, ha egy reakcióban gáz képződik, vagy ha például gáz halmazállapotú rendszerrel közlünk hőt, és elhanyagolhatóan kicsi például a szilárd testek melegítése közben fellépő hőtáguláskor.


DefinícióSzerkesztés

A termodinamikai rendszer entalpiáját az alábbi képlettel lehet definiálni:

 ,

ahol

  az entalpia,
  a rendszer belső energiája,
  a nyomás,
  a rendszer térfogata.

Végtelen kis változásokra vonatkozóan:

 

Ha a folyamat állandó nyomáson megy végbe, akkor:

 


Az entalpia teljes differenciáljaSzerkesztés

Mivel az entalpia állapotfüggvény, változói pedig az entrópia, a nyomás és az anyagmennyiség, ezért H(S,p,n) és

 , ahol n=n1 + n2 ... nK

A teljes differenciálból azonosítható a hőmérsékletnek, a térfogatnak és a kémiai potenciálnak megfelelő parciális derivált, így az egyenlet az alábbiak szerint egyszerűsödik:

 

Az entalpia hőmérsékletfüggéseSzerkesztés

Ha egy rendszerrel olyan feltételek között közlünk hőt, hogy a nyomás közben állandó maradjon, akkor ennek a hőnek egy része a rendszer belső energiájának növelésére, a másik része térfogati munka végzésére fordítódik, azaz a rendszer entalpiáját növeli. Gyakorlatban ezt úgy érzékeljük, hogy a rendszer hőmérséklete megnő (ha nincs közben valamilyen izoterm fázisátalakulás). Annak a mértéke, hogy mekkora lesz a hőmérsékletnövekedés, a rendszer hőkapacitásától függ.

 
A hőkapacitás hőmérsékletfüggése

Az állandó nyomáson mért hőkapacitás definíció összefüggéséből kiindulva,

 

melynek moláris formája

 

ha

 

azaz a kis h moláris entalpiát jelöl.

A rendszer T hőmérsékletre vonatkozó entalpiája a változók szétválasztása után hőmérséklet szerinti integrálással számítható ki.

 .

Mint a mellékelt ábra mutatja, T2 és T1 hőmérsékleten a rendszer entalpiájának a különbsége a Cp függvény adott szakasza alatti terület nagyságával arányos.

Standard állapotSzerkesztés

Ha T1-nek a 0 K hőmérsékletet választjuk, akkor a Ho – az integrálási állandó – az ún. nullpont-entalpiát jelenti (ami a kvantumelmélet szerint a tapasztalattal megegyezően nem nulla, de nem ismeretes):

 .

A gyakorlati számítások céljára To-ként nem az abszolút nulla fokot, hanem az ún. standard hőmérsékletet a 25,0 °C-ot, vagyis a 298,15 K-t választották:

 .

Standard entalpiaSzerkesztés

Az entalpia abszolút értékének a nem ismerete a gyakorlati életben nem okoz problémát, mert nem a tényleges érték, hanem egy-egy folyamatban az entalpia megváltozásának a nagysága a fontos jellemző. Például ha a földgáz elég, akkor az a fontos adat, hogy mekkora az entalpia különbsége az égési folyamat végén az égési folyamat előtti állapothoz képest. Az energiamegmaradás törvénye értelmében ennyi lehet a maximális energia, ami az égés során felszabadulhat, függetlenül attól, hogy kiinduláskor mekkora volt az entalpia tényleges értéke.

Az entalpia abszolút értéke nem ismerhető meg, és gyakorlati értéke sem lenne, de a számítások egységesítése céljából célszerűnek látszott a standard állapot és a standard entalpia definiálása.

 
A képződési entalpia hőmérsékletfüggése

Standard hőmérsékletként a 25,0 °C-ot, vagyis a 298,15 K-t, standard nyomásként pedig a 105 Pa-t azaz 1 bar-t választották. A definíció szerint standard körülmények között minden referencia állapotú kémiai elem standard entalpiája (standard képződési entalpiája) nulla:

 

A referenciaállapot a standard nyomáson és hőmérsékleten az adott elem legstabilabb állapotú, legalacsonyabb szabad entalpiájú módosulata (pl. a szénnek több módosulata is stabil standard körülmények között, és csak a grafit módosulat standard képződési entalpiája nulla, a gyémánté nem).

Az energiamegmaradás törvénye és a Hess-törvény figyelembe vételével vegyületek standard képződési entalpiája pedig a képződési reakcióegyenlet ismeretében számítható ki, más hőmérsékletre pedig a hőkapacitás hőmérsékletfüggvényének integrálásával számítható – feltételezve, hogy az anyag összenyomhatatlan:

 .

JegyzetekSzerkesztés

  1. 2.4 Az entalpia. In László Krisztina – Grofcsik András – Kállay Mihály – Kubinyi Miklós: Fizikai kémia 1. [Digitális kiadás]. Budapest: Akadémiai. 2017. ISBN 978-963-454-137-0 Hozzáférés: 2020. márc. 9. doi:10.1556/9789634541370  
  2. IUPAC Gold Book. Enthalpy, H'. (Hozzáférés: 2020. március 8.)