آنتالپی – مقاله های مهار فن ابزار

آنتالپی « (از یونانی ἐνθάλπω [enthálpō]، «افزودن گرما»؛ تشکیل شده توسط ἐν [en]، «in» و θάλπω [thálpō]، «گرما») یک قدر ترمودینامیکی است که نماد آن با حرف بزرگ H است که به صورت جریان انرژی حرارتی در فرآیندهای شیمیایی که با فشار ثابت انجام می‌شود، زمانی که تنها کار فشار-حجم است، ¹ ، یعنی مقدار انرژی که یک سیستم با محیط اطراف خود مبادله می‌کند.

در تاریخ ترمودینامیک، اصطلاحات مختلفی برای نشان دادن چیزی که امروزه به نام “آنتالپی” می شناسیم، استفاده شده است. در ابتدا تصور می شد که این کلمه توسط امیل کلاپیرون و رودولف کلازیوس از طریق انتشار رابطه کلازیوس-کلاپیرون در جداول و نمودارهای بخار مولیر در سال 1827 ایجاد شده است، اما اولین کسی که اصطلاح “آنتالپی” را تعریف و استفاده کرد هلندی هایکه بود . Kamerlingh Onnes ، اوایل قرن 20th . ²

به عبارت دقیق‌تر، تابع حالتی از ترمودینامیک است که در آن تغییر، بیان مقدار گرمای وارد شده در طول یک تبدیل هم‌بار ، یعنی در فشار ثابت در یک سیستم ترمودینامیکی را ممکن می‌سازد، با در نظر گرفتن اینکه هر جسم شناخته شده‌ای را می توان به عنوان یک سیستم ترمودینامیکی درک کرد. این تبدیلی است که در جریان آن انرژی می تواند دریافت یا کمک شود (مثلاً آن چیزی که برای کارهای مکانیکی استفاده می شود). از این نظر، آنتالپی از نظر عددی برابر با حرارت مبادله شده با محیط خارج از سیستم مورد نظر است.

در سیستم بین المللی واحدها ، آنتالپی معمولاً با ژول اندازه گیری می شود که در ابتدا به عنوان یک واحد کار معرفی شد .

معمول ترین مورد آنتالپی، آنتالپی ترمودینامیکی است . از این طریق می توان تابع گیبس را که مربوط به آنتالپی آزاد است، تشخیص داد ، در حالی که آنتالپی مولی آنتالپی است که یک مول از ماده تشکیل دهنده سیستم را نشان می دهد.

فهرست مطالب

آنتالپی ترمودینامیکی

آنتالپی یا همچنین به کیلوکالری (به طور کلی با نماد H ، همچنین محتوای گرما محاسبه می شود ژول نامیده می شود، و در سیستم بین المللی واحدها برحسب یا در غیر این صورت، در سیستم آنگلوساکسون : BTU )، یک تابع حالت گسترده است که به این صورت تعریف می شود. انرژی تبدیل لژاندر درونی با توجه به حجم .

مشتق

اصل حالت ثابت می کند که معادله اساسی یک سیستم ترمودینامیکی را می توان در نمایش انرژی آن به صورت زیر بیان کرد:

U=h(S,V,\{N_{i}\})\,

که در آن U انرژی داخلی، S آنتروپی، V حجم، و $N_{i}$ ترکیب شیمیایی سیستم

برای مواردی که می‌خواهیم بدون از دست دادن اطلاعات مربوط به سیستم، معادله بنیادی را بر حسب آنتروپی، ترکیب و فشار به جای حجم بیان کنیم، تبدیل لژاندر زیر به معادله بنیادی اعمال می‌شود:

U(S,P,\{N_{i}\})=U(S,V,\{N_{i}\})-V\left({\frac {\partial U}{\partial V}}\راست)_{S,\{N_{i}\}}=H(S,P,\{N_{i}\})\,

و چطور

{\displaystyle P=\,-\left({\frac {\partial U}{\partial V}}\right)_{S,\{N_{i}\}}\,} {\displaystyle H=

فشار سیستم است، آنتالپی به صورت زیر تعریف می شود:

U +PV\,\!}

اصل حداقل آنتالپی

قانون دوم ترمودینامیک که بیان می کند هر حالت تعادل حالت حداکثر آنتروپی است، در نمایش انرژی سیستم به قانون حداقل انرژی تبدیل می شود. این اصل به نمایش آنتالپی غیرقابل تغییر منتقل می شود: سیستم زمانی به حالت تعادل می رسد که برای یک فشار معین، پارامترهای ترمودینامیکی به گونه ای تغییر کنند که آنتالپی سیستم حداقل ممکن باشد. ³

نتیجه گیری

سیستمی را در نظر بگیرید که اجازه دارد با فشار ثابت بدون تغییر ترکیبش تکامل یابد. تمایز آنتالپی:

dH=dU+PdV+VdP\,

و چطور

{\displaystyle dU=TdS-POV+\sum _{i=1}^{r}\mu _{i}dN_{i}\,} {\displaystyle

تو باید:

dH =TdS-PdV+\sum i=1}^{r}\mu i}dN_{i}+PdV+VdP\,} بخش ویرایش: حداقل اصل آنتالپی بخش ویرایش

حال، اگر تبدیل در فشار ثابت باشد ( $dP=0$ ) و ترکیب تغییر نمی کند ( $dN=0$ )، ما داریم:

dH=TdS\,

اگر تغییر آنتالپی با یک فرآیند برگشت پذیر همراه باشد، TdS را می توان با حرارت مبادله شده شناسایی کرد. در آن صورت، آنتالپی را می توان به عنوان گرمای مبادله شده توسط سیستم در فشار ثابت تفسیر کرد. مهم است که تاکید کنیم که تعریف dH=TdS برای P=cte و N=cte کاملاً دقیق است. شناسایی آن به عنوان تبادل گرما به برگشت پذیر بودن فرآیند بستگی دارد. اگر اینطور نباشد، dH=TdS همچنان درست خواهد بود، اما این واقعیت که TdS گرما است، صادق نیست.

از آنجایی که بسیاری از واکنش‌های شیمیایی در فشار ثابت انجام می‌شوند و ماده حفظ می‌شود (هیچ گونه تغییری در تعداد گونه‌های اتمی وجود ندارد)، آنتالپی معمولاً به‌عنوان نشانگر انرژی در واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود: گرمای آزاد شده یا جذب شده توسط واکنش به این صورت تفسیر می‌شود. به عنوان یک تغییر آنتالپی

وجود اصطلاح فشار همچنین به آنتالپی اجازه می دهد تا به عنوان نشانگر انرژی در آن شاخه هایی که در آنها اختلاف فشار در حجم ثابت مرتبط است استفاده شود. این مورد، برای مثال، در تجزیه و تحلیل چرخه های گاز، جایی که آنتالپی به عنوان یک متغیر انرژی ترمودینامیکی استفاده می شود، به این دلیل است که اجازه می دهد فشار و اصطلاحات انرژی داخلی به صورت فشرده تر گروه بندی شوند.

روابط

{\displaystyle h_{2}-h_{1}=C_{p}(T_{2}-T_{1})\,} {

جایی که ما آنتالپی در واحد جرم، گرمای ویژه در فشار ثابت و تغییرات دمایی را داریم که متحمل شده است. این فرمول تا زمانی معتبر است $\displaystyle C_{p}}$ برای بازه دمایی که سیستم مطالعه تحت آن قرار می گیرد ثابت است.

آنتالپی شیمیایی

برای یک واکنش گرمازا در فشار ثابت، تغییر آنتالپی سیستم برابر با انرژی آزاد شده در واکنش است، از جمله انرژی ذخیره شده توسط سیستم و انرژی از دست رفته از طریق انبساط در برابر محیط اطراف (یعنی زمانی که واکنش گرمازا است، آنتالپی تغییر می کند. سیستم منفی است). به طور مشابه، برای یک واکنش گرماگیر ، تغییر آنتالپی سیستم برابر با انرژی جذب شده در طول واکنش است، از جمله انرژی از دست رفته توسط سیستم و انرژی به دست آمده از طریق انبساط در برابر محیط اطراف (در واکنش های گرماگیر، تغییر آنتالپی برای واکنش مثبت است. سیستم، زیرا گرما می گیرد).

آنتالپی کل یک سیستم را نمی توان به طور مستقیم اندازه گیری کرد. در عوض، تغییرات آنتالپی یک سیستم را می توان اندازه گیری کرد.

تغییر آنتالپی ( ${\ displaystyle \Delta H}$ ) با معادله زیر تعریف می شود:

{\displaystyle \Delta H=H_{\rm {final}}-H_{\rm {initial}}\,\!} ویرایش

جایی که:

$H_{\rm {final}}$ آنتالپی نهایی سیستم است. در یک واکنش شیمیایی، $H_{\rm {final}}$ آنتالپی محصولات است.
${\displaystyle H_{\rm {inicial}}} {$ آنتالپی اولیه سیستم است. در یک واکنش شیمیایی، $\displaystyle H_{\rm {inicial}}} {$ آنتالپی واکنش دهنده ها است.

بیشترین کاربرد آنتالپی برای تجزیه و تحلیل واکنش هایی به دست می آید که وقتی فشار در تماس با محیط ثابت نگه داشته می شود، حجم سیستم را افزایش می دهد و باعث انجام کارهای مکانیکی روی محیط و از دست دادن انرژی می شود. و برعکس در واکنش هایی که باعث کاهش حجم می شود زیرا محیط روی سیستم کار می کند و انرژی داخلی سیستم افزایش می یابد.

آنتالپی واکنش ( $\ displaystyle \Delta _{\rm {r}}H}$ ) انرژی مربوط به یک واکنش است و از مجموع آنتالپی های تشکیل محصولات منهای واکنش دهنده ها با توجه به ضرایب استوکیومتری آنها (n) به دست می آید که آنتالپی تشکیل عناصر در حالت طبیعی آنها برابر است. به صفر

\Delta _{\rm {r}}H=\sum _{\rm {p}}n_{\rm {p}}\Delta _{ \rm {f}}H_{\rm {p}}-\sum _{\rm {r}}n_{\rm {r}}\Delta _{\rm {f}}H_{\rm {r} }

جایی که:

$n_{\rm {p}}$ ضریب استوکیومتری محصولات است.
$n_{\rm {r}}$ ضریب استوکیومتری واکنش دهنده ها است.
${\displaystyle \Delta _{\rm {f}}H_{\rm {p}}} { \$ آنتالپی تشکیل محصولات است.
$displaystyle \ دلتا \rm {f}}H_{\rm {r}}}$ آنتالپی تشکیل واکنش دهنده ها است.

آنتالپی استاندارد یا عادی

تغییر استاندارد آنتالپی (که با H ⁰ یا ^HO مشخص می شود) تغییر آنتالپی است که در یک سیستم زمانی رخ می دهد که یک واحد معادل ماده توسط یک واکنش شیمیایی در شرایط عادی یا استاندارد تبدیل شود . واحدهای آن kJ / mol در سیستم بین المللی هستند.

تغییر استاندارد آنتالپی یک واکنش رایج، تغییر استاندارد تشکیل آنتالپی است که برای تعداد زیادی از مواد تعیین شده است. تغییر آنتالپی هر واکنش تحت هر شرایطی را می توان محاسبه کرد و تغییر آنتالپی تشکیل همه واکنش دهنده ها و محصولات را می دهد. واکنش های دیگر با تغییرات استاندارد آنتالپی عبارتند از احتراق (تغییر استاندارد آنتالپی احتراق) و خنثی سازی (تغییر استاندارد آنتالپی خنثی سازی).

کاربردهای دیگر

در مگنتوهیدرودینامیک، آنها سعی می کنند از تفاوت های آنتالپی برای تولید الکتریسیته ، با کاربرد عملی، بهره ببرند .