Entalpi – definition og beregning af varme og arbejde ved konstant tryk
Entalpi: klar definition og praktisk beregning af varme og arbejde ved konstant tryk — enkel forklaring for studier og teknisk anvendelse.
Entalpi (ofte skrevet "enthalpy" på engelsk) er et termodynamisk begreb, som bruges til at beskrive den mængde varme og arbejde der udveksles med et stof eller et system, især ved konstant tryk. Navnet stammer fra det græske ord "enthalpos" (ενθαλπος), der betyder "at lægge varme i", og betegnelsen blev indført af den hollandske videnskabsmand Heike Kamerlingh Onnes i 1909.
Definition og formel
Entalpi betegnes med H og defineres ved sammenhængen
H = U + pV
hvor U er systemets indre energi, p er trykket og V er volumen. For en ændring i entalpi gælder generelt
ΔH = ΔU + Δ(pV),
og ved konstant tryk forenkles dette til
ΔH = ΔU + p ΔV.
Under de betingelser hvor kun udvidelsesarbejde (pV-arbejde) forekommer, er entalpændringen lig med den varme der tilføres eller afgives ved konstant tryk:
q_p = ΔH.
Hvorfor entalpi bruges
Når et system modtager varme ved konstant tryk, kan energien gå til to hovedformål:
- at øge systemets indre energi (temperaturændring, ændring i molekylære bevægelser eller potentielle energier), eller
- at udføre arbejde for at udvide systemet mod et ydre tryk (pΔV).
Entalpi kombinerer disse to bidrag i én tilstandsfunktion, så ændringen i entalpi direkte fortæller, hvor meget varme der er tilført eller fjernet ved konstant tryk.
Egenskaber og nyttige relationer
- Enthalpi er en tilstandsfunktion: ΔH afhænger kun af begyndelses- og sluttilstand, ikke af vejen imellem.
- Specifik og molar entalpi: Man angiver ofte entalpi pr. enhed masse (J/kg) eller pr. mol (J/mol).
- Varmefylde ved konstant tryk: Cp = (∂H/∂T)p. For ideelle gasser er entalpi kun en funktion af temperaturen, så ΔH = ∫ Cp(T) dT.
- Hess' lov: Entalpændringer er additive, hvilket gør det muligt at beregne reaktionsentalpier fra kendte delreaktioner.
- Relation til fri energi: Gibbs frie energi G = H − T S bruges til at vurdere spontanitet ved konstant tryk og temperatur.
Anvendelser og eksempler
Entalpi anvendes bredt i kemi og teknik:
- Kemiske reaktioner: Reaktionsentalpi (ΔH_rxn) fortæller om en reaktion er endoterm (ΔH > 0) eller exoterm (ΔH < 0).
- Faseovergange: Smeltning og fordampning karakteriseres ved entalpier som entalpi af fusion og entalpi af fordampning.
- Varmetransport i processer: I varmevekslere og kedler beregnes varmebehov med entalpier (oftest specifik entalpi h = u + pv ved strømmer i åbne systemer).
- Calorimetri: Enkle tryk-kalorimetre (fx "coffee-cup") måler ΔH direkte ved konstant tryk, mens bombekalorimetre måler ΔU ved konstant volumen.
Måleenheder og fortolkning
Entalpi måles i joule (J) i SI-systemet; molare værdier angives i J/mol og specifikke i J/kg. Positive ΔH angiver varmeoptagelse (endoterm proces), negative ΔH angiver varmeudledning (exoterm proces).
Bemærkninger om begrænsninger
Sammenhængen q_p = ΔH gælder når arbejdet kun er udvidelsesarbejde og trykket er konstant. Hvis der er andre former for arbejde (elektrisk, mekanisk uden for pV-arbejde) eller variable trykforhold, skal man tage disse bidrag med i energibudgettet.
Samlet set er entalpi et praktisk redskab til at beregne og forstå varmeudveksling og arbejde i mange praktiske situationer inden for varmeoverførsel, kemiske reaktioner og procesdesign.
Enthalpy og kemiske reaktioner
Når der sker en kemisk reaktion, kan et stof blive varmere eller koldere. Som følge heraf vil der strømme varme til eller fra ting omkring det, indtil dets temperatur er den samme igen. Hvis trykket forbliver det samme, fortæller denne varmemængde, hvor meget enthalpien er ændret.
Hvis benzin f.eks. forbrændes i det fri, frigøres der varme fra benzinen. Hvis vi antager, at der blev frigivet 100 kilojoule varme, er benzinens entalpi blevet reduceret med 100 kilojoule. Derfor var ændringen i entalpi for denne reaktion ∆H = -100 kJ.
Hvis en kemisk reaktion afgiver varme (opvarmning af omgivelserne), siges det, at reaktionens entalpi er faldet. Værdien af ∆H er negativ. Denne form for reaktion, som eksemplet ovenfor, kaldes exotermisk.
Hvis en kemisk reaktion absorberer varme (køler sine omgivelser), er reaktionens entalpi steget. Værdien af ∆H er positiv. Dette kaldes en endotermisk reaktion.
Relaterede sider
- Termodynamisk potentiale
- Entropi
- Gibbs' frie energi
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er enthalpi?
A: Enthalpy er et begreb, der anvendes inden for naturvidenskab og teknik til at beregne varme og arbejde i et stof.
Spørgsmål: Hvor kommer navnet "enthalpi" fra?
A: Navnet "enthalpi" kommer fra det græske ord "enthalpos" (ενθαλπος), som betyder "at lægge varme i".
Spørgsmål: Hvem fandt på ideen og ordet "enthalpi"?
A: Den hollandske videnskabsmand Heike Kamerlingh Onnes fandt på ideen og ordet "enthalpi" i 1909.
Spørgsmål: Hvordan hænger enthalpi sammen med energi?
A: Enthalpien er udtryk for den energi, der bruges eller frigives, når et stof vokser eller svinder, men det er ikke det samme som energi.
Spørgsmål: Hvorfor beregner forskere ofte ændringen i entalpi i stedet for ændringen i energi?
Svar: Forskere beregner ofte ændringen i entalpi, fordi den tager hensyn til den energi, der bruges eller frigives, når et stof ændrer størrelse.
Spørgsmål: Hvad sker der, når varmeenergi kommer ind i et system, der indeholder en fast mængde gas?
Svar: Når varmeenergi kommer ind i et system, der indeholder en fast mængde gas, kan den enten øge gassens indre energi eller føre til, at der udføres et arbejde for at udvide systemet.
Sp: Hvordan tager entalpi hensyn til faktorerne tryk og volumen?
Svar: Enthalpien tager hensyn til tryk- og volumenfaktorerne ved at tage hensyn til det udførte arbejde, som er produktet af tryk og volumen.
Søge