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Entalpia


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En termodinámica y química molecular, entalpia o contenido de calor (denotado como H, h, o raramente como χ) es un cociente o una descripción de potencial termodinámico de a sistema, que se puede utilizar para calcular el trabajo “útil” obtenible de a cerrado sistema termodinámico bajo presión constante y entropía.

El término entalpia fue compuesto del prefijo en-, el significar “puesto en” y Griego palabra - thalpein, significando “calentar”, aunque la definición original se piensa para haber provenido la palabra “enthalpos” (ἐνθάλπος).[1]

Contenido

Historia

Sobre historia de la termodinámica, varios términos se han utilizado para denotar qué ahora se conoce como entalpia de un sistema. Originalmente, fue pensado que la palabra “entalpia” fue creada cerca Benoit Paul Émile Clapeyron y Rudolf Clausius con publicar de Relación de Clausius-Clapeyron en “Las tablas y los diagramas del vapor de Mollier“adentro 1827, solamente fue publicado más adelante que la grabación más temprana de la palabra estaba adentro 1875, cerca Josiah Willard Gibbs en la publicación “Química física: un tratado avanzado"[2], aunque no se refiere a los trabajos de Gibbs directamente[3]. En 1909, Trabajo de Keith Gibbs discutido Landler sobre la “función del calor para la presión constante” y observado eso Heike Kamerlingh Onnes había acuñado su nombre moderno del Griego redacte el significado de los “enthalpos” (ενθαλπος) “para poner calor en.” [1]

Definición original

Éste es el cambio del calor que ocurre cuando 1 mol de una sustancia reacciona totalmente con oxígeno a los productos de la forma en 298 K y 1 atmósfera. La función H fue introducido por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes en siglo a principios de siglo 20 en la forma siguiente:

donde E representa la energía del sistema. En ausencia de un campo externo, la entalpia se puede definir, mientras que se sabe generalmente, cerca:

donde (todas las unidades dadas adentro SI)

Uso y fórmula extendido

Descripción

En términos de termodinámica, la entalpia puede ser calculada determinando los requisitos para crear un sistema del “nothingness”; el trabajo mecánico requerido, pV diferencia, basado sobre la constancia de las condiciones presentes en la creación del sistema termodinámico.

Energía interna, U, debe ser proveído para quitar partículas de rodear para permitir el espacio para la creación de un sistema, proporcionando que las variables ambientales, tales como presión (p) siga siendo constante. Esta energía interna también incluye la energía requerida para activación y el romperse de compuestos consolidados en especies gaseosas.

Este proceso se calcula dentro de cálculos de la entalpia como U + pV, etiquetar la cantidad de energía o de trabajo requirió “ponga el espacio a un lado para“y”cree“el sistema; describiendo el trabajo hecho por la reacción o la formación de sistemas, y los alrededores. Para los sistemas en la presión constante, el cambio en entalpia es el calor recibido por el sistema más el trabajo non-mechanical se ha hecho que.

Por lo tanto, el cambio en entalpia se puede idear o representar sin la necesidad de mecánicos compresivos o expansivos; para un sistema simple, con un número constante de partículas, la diferencia en entalpia es la cantidad máxima de energía termal derivable de un proceso termodinámico en el cual la presión se lleve a cabo constante.

El término pV es el trabajo requerido para desplazar la atmósfera circundante para desocupar el espacio que se ocupará por el sistema.

Relaciones

Como extensión del primera ley de la termodinámica, la entalpia se puede relacionar con varios otros fórmulas termodinámicos. Como con la definición original de la primera ley;

Donde, según lo definido por la ley;
dU representa el aumento infinitesimal del sistemático o energía interna.
δQ representa la cantidad infinitesimal de energía atribuida o agregada al sistema.
δW representa la cantidad infinitesimal de energía actuaba hacia fuera por el sistema en los alrededores.

Como expresión que distingue, el valor de H se puede definir como

Donde

  • δW = pdV es el trabajo hecho por el sistema en un proceso reversible.
  • dS es el aumento en entropía (julios por Kelvin),
  • p es constante presión
  • T es la temperatura (los kelvins)

Para un proceso que no es reversible, la ecuación antedicha todavía que expresa el ADO en términos de dS y asimientos del DP porque H es una variable termodinámica del estado que se puede especificar únicamente por S y el P. Tenemos así en general:

Se ve que, si es un proceso termodinámico isobárico (es decir, ocurre en la presión constante), entonces dp es cero y así

La diferencia en entalpia es la energía termal máxima alcanzable del sistema en proceso isobárico. Esto explica porqué a veces se llama contenido de calor. Es decir, el integral de dH sobre cualquier isobara en estado el espacio es la energía termal máxima alcanzable del sistema.

En una forma más general, la primera ley describe la energía interna con la participación adicional de los términos potencial químico y el número de las partículas de varios tipos. La declaración diferenciada para dH  es entonces:

donde μi es el potencial químico para un yo-tipo partícula, y Ni es el número de tales partículas. Se ve que, no sólo deba Vdp  llame sea fijado a cero requiriendo las presiones de los estados iniciales y finales de ser iguales, pero μidNi los términos deben ser cero también, requiriendo que sigue habiendo los números de la partícula sin cambiar. Cualquier generalización más otra agregará aún más términos que término diferenciado extenso se deba fijar a cero para que la interpretación de la entalpia para sostener.

Calienta de la reacción

La entalpia total de un sistema no se puede medir directamente; cambio de la entalpia de a sistema se mide en lugar de otro. El cambio de la entalpia es definido por la ecuación siguiente:

donde

ΔH  es cambio de la entalpia
Hfinal es la entalpia final del sistema, medida en julios. En una reacción química, Hfinal es la entalpia de los productos.
Hinicial es la entalpia inicial del sistema, medida en julios. En una reacción química, Hinicial es la entalpia de los reactivo.

Para exotérmico reacción en la constante presión, el cambio de sistema en entalpia es igual a la energía lanzada en la reacción, incluyendo la energía conservada en el sistema y perdida con la extensión contra sus alrededores. De una manera similar, para endotérmico la reacción, el cambio de sistema en entalpia es igual a la energía absorbido en la reacción, incluyendo la energía perdido cerca el sistema y ganado de la compresión de sus alrededores. Una manera relativamente fácil de determinarse si o no una reacción es exotérmica o endotérmica es determinar la muestra de ΔH. Si ΔH es positiva, la reacción es endotérmica, que es el calor es absorbido por el sistema debido a los productos de la reacción que tiene una mayor entalpia que los reactivo. Por otra parte si ΔH es negativa, la reacción es exotérmica, que es la disminución total de la entalpia es alcanzada por la generación del calor.

Aunque la entalpia es de uso general en la ingeniería y la ciencia, es imposible medir directamente, pues la entalpia no tiene ningún dato (punto de referencia). Por lo tanto la entalpia se puede utilizar solamente exactamente en a sistema cerrado. Sin embargo, pocos usos del mundo real existen en el aislamiento cerrado, y es por esta razón que sistemas dos o más cerrados no se pueden comparar usando entalpia como base, aunque esto se hace a veces erróneamente.

Sistemas abiertos

En termodinámico sistemas abiertos, la materia puede fluir dentro y fuera de los límites del sistema. La primera ley de la termodinámica para los sistemas abiertos indica: el aumento en la energía interna de un sistema es igual a la cantidad de energía agregada al sistema por la materia que fluye en y calentando, menos la cantidad perdida por la materia que fluye hacia fuera y bajo la forma de trabajo hecho por el sistema. La primera ley para los sistemas abiertos se da cerca:

donde Uen es la energía interna media que incorpora el sistema y Uhacia fuera es la energía interna media que sale del sistema

La región del espacio incluida por límites del sistema abierto generalmente se llama a controle el volumen, y puede o no puede corresponder a las paredes físicas. Si elegimos la forma del volumen del control tales que todo el flujo adentro o hacia fuera ocurrimos perpendicular a su superficie, entonces el flujo de la materia en el sistema realiza el trabajo como si fuera un pistón del líquido que empujaba la masa en el sistema, y el sistema realiza el trabajo sobre el flujo de la materia hacia fuera como si condujera un pistón del líquido. Hay entonces dos tipos de trabajo realizados: trabajo del flujo descrito sobre cuál se realiza en el líquido (esto también se llama a menudo pV trabajo) y trabajo del eje cuál se puede realizar en un poco de dispositivo mecánico.

Estos dos tipos de trabajo se expresan en la ecuación:

Substitución en la ecuación arriba para el volumen del control cv producciones:

La definición de la entalpia, H, permite que utilicemos esto potencial termodinámico para explicar energía interna y pV trabajo en los líquidos para los sistemas abiertos:

Durante de estado estacionario operación de un dispositivo (vea turbina, bomba, y motor), la expresión arriba se puede fijar igual a cero. Esto rinde una expresión útil para energía generación o requisito para estos dispositivos en ausencia de reacciones químicas:

Esta expresión es descrita por el diagrama arriba.

Cambios estándares de la entalpia

Los cambios estándares de la entalpia describen el cambio en la entalpia observada en los componentes de un sistema termodinámico al ir entre diversos estados bajo condiciones estándares. El cambio estándar de la entalpia de la vaporización, por ejemplo da el cambio de la entalpia al ir del líquido a proveer de gas. Estos enthalpies son reversibles; el cambio de la entalpia de ir del gas al líquido es la negativa del cambio de la entalpia de la vaporización. Un campo común cambio estándar de la entalpia es cambio estándar de la entalpia de la formación, que se ha determinado para una gran cantidad de sustancias. El cambio de la entalpia de cualquier reacción bajo cualesquiera condiciones se puede computar, dado el cambio estándar de la entalpia de la formación de todos los reactivo y productos.

Definiciones

Características químicas

Cambio estándar de la entalpia de la reacción

“ El cambio estándar de la entalpia de la reacción se define como el cambio de la entalpia observado en un componente de un sistema termodinámico cuando, uno topo de sustancia reacciona totalmente bajo condiciones estándares. ”

Cambio estándar de la entalpia de la formación

“ El cambio estándar de la entalpia de la formación se define como el cambio de la entalpia observado en un componente de un sistema termodinámico cuando, un topo de un compuesto se forma de sus antecedentes elementales debajo condiciones estándares. ”

Cambio estándar de la entalpia de la combustión

“ La entalpia estándar de la combustión se define como el cambio de la entalpia observado en un componente de un sistema termodinámico, cuando un topo de los combusts de una sustancia totalmente con oxígeno bajo condiciones estándares. ”

Cambio estándar de la entalpia de la hidrogenación

“ La entalpia estándar de la hidrogenación se define como el cambio de la entalpia observado en un componente de un sistema termodinámico, cuando un topo de un compuesto no saturado reacciona totalmente con un exceso del hidrógeno bajo condiciones estándares para formar un compuesto saturado. ”

Cambio estándar de la entalpia de la atomización

“ La entalpia estándar de la atomización se define como el cambio de la entalpia requerido para atomizar un topo de compuesto totalmente bajo condiciones estándares. ”

Características físicas

Cambio estándar de la entalpia de la solución

“ La entalpia estándar de la solución se define como el cambio de la entalpia observado en un componente de un sistema termodinámico, cuando un topo de un solute se disuelve totalmente en un exceso del solvente bajo condiciones estándares. ”

Cambio estándar de la entalpia de la fusión

“ La entalpia estándar de la fusión se define como el cambio de la entalpia requerido para cambiar totalmente el estado de un topo de sustancia entre los estados sólidos y líquidos bajo condiciones estándares. ”

Cambio estándar de la entalpia de la vaporización

“ La entalpia estándar de la vaporización se define como el cambio de la entalpia requerido para cambiar totalmente el estado de un topo de sustancia entre los estados líquidos y gaseosos bajo condiciones estándares. ”

Cambio estándar de la entalpia de la sublimación

“ La entalpia estándar de la sublimación se define como el cambio de la entalpia requerido para cambiar totalmente el estado de un topo de sustancia entre los estados sólidos y gaseosos bajo condiciones estándares. ”

Cambio estándar de la entalpia de la desnaturalización

“ La entalpia estándar de la desnaturalización se define como el cambio de la entalpia requerido para desnaturalizar un topo de compuesto bajo condiciones estándares. ”

Entalpia del enrejado

“ Entalpia del enrejado se define como la entalpia requerida requerida para separar un topo de un compuesto iónico en los iones gaseosos separados a una distancia infinita aparte (no significando ninguna fuerza de la atracción) bajo condiciones estándares. ”

Entalpia específica

La entalpia específica de a masa de trabajo es una característica de esa masa usada adentro termodinámica, definido como donde u es la energía interna específica, p es la presión, y v es el volumen específico. Es decir h = H / m donde m es la masa del sistema. Unidad del SI para la entalpia específica están los julios por kilogramo.

Vea también

Notas

  1. ^ a b El mundo de la química observado que mientras que rumiaba en el origen que era acreditado a Gibbs, la palabra original fue creada por Onnes, que había especificado su derivación.
  2. ^ Química física: Un tratado avanzado Estados que era el creador original de la palabra Josiah Willard Gibbs, que observó “la definición familiar de la entalpia según lo introducido por Gibbs en 1875 (función del calor del `para la presión constante')”"
  3. ^ Los trabajos recogidos del J. Willard Gibbs, vol. I no contenga la referencia a la entalpia de la palabra, sino refiérase algo a la función del calor para la presión constante.

Referencias

  1. Haase, R. En Química física: Un tratado avanzado; Jost, W., Ed. ; Académico: Nueva York, 1971; p 29.
  2. Gibbs, J. W. En Los trabajos recogidos del J. Willard Gibbs, vol. I; Prensa de la universidad de Yale: New Haven, CT, reimprimió 1948; p 88.
  3. Laidler, K. El mundo de la química física; Prensa de la universidad de Oxford: Oxford, 1995; p 110.
  4. C.Kittel, H.Kroemer adentro Física termal; W.H.Freeman y Company, Nueva York, el an o 80; p246

Acoplamientos externos

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