Entalpija pret iekšējo enerģiju
Ķīmijas pētījumu vajadzībām mēs sadalām Visumu divos veidos kā sistēmu un apkārtējo. Jebkurā laikā mūs interesējošā daļa ir sistēma, un pārējā ir apkārt. Entalpija un iekšējā enerģija ir divi jēdzieni, kas saistīti ar pirmo termodinamikas likumu, un tie apraksta reakcijas, kas notiek sistēmā un apkārtējā.
Kas ir entalpija?
Kad notiek reakcija, tā var absorbēt vai attīstīt siltumu, un, ja reakcija notiek nemainīgā spiedienā, šo siltumu sauc par reakcijas entalpiju. Molekulu entalpiju nevar izmērīt. Tāpēc reakcijas laikā mēra izmaiņas entalpijā. Entalpijas izmaiņas (∆H) reakcijai noteiktā temperatūrā un spiedienā iegūst, no produktu entalpijas atņemot reaģentu entalpiju. Ja šī vērtība ir negatīva, tad reakcija ir eksotermiska. Ja vērtība ir pozitīva, reakcija tiek uzskatīta par endotermisku. Entalpijas izmaiņas starp jebkuru reaģentu un produktu pāri nav atkarīgas no ceļa starp tām. Turklāt entalpijas izmaiņas ir atkarīgas no reaģentu fāzes. Piemēram, kad skābekļa un ūdeņraža gāzes reaģē, veidojot ūdens tvaikus, entalpijas izmaiņas ir -483,7 kJ. Tomērkad vieni un tie paši reaģenti reaģē, iegūstot šķidru ūdeni, entalpijas izmaiņas ir -571,5 kJ.
2H 2 (g) + O 2 (g) → 2H 2 O (g); ∆H = -483,7 kJ
2H 2 (g) + O 2 (g) → 2H 2 O (l); ∆H = -571,7 kJ
Kas ir iekšējā enerģija?
Siltums un darbs ir divi enerģijas pārsūtīšanas veidi. Mehāniskajos procesos enerģiju var pārvietot no vienas vietas uz otru, bet kopējais enerģijas daudzums tiek saglabāts. Ķīmiskās transformācijās tiek piemērots līdzīgs princips. Apsveriet tādu reakciju kā metāna sadegšana.
CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
Ja reakcija notiek noslēgtā traukā, notiek tikai tas, ka tiek atbrīvots siltums. Mēs varētu izmantot šo izdalīto enzīmu, lai veiktu mehāniskus darbus, piemēram, darbinātu turbīnu vai tvaika dzinēju utt. Ir ļoti daudz veidu, kā reakcijas rezultātā iegūto enerģiju varētu sadalīt starp siltumu un darbu. Tomēr tiek konstatēts, ka attīstītā siltuma un veiktā mehāniskā darba summa vienmēr ir nemainīga. Tas vedina uz domu, ka, pārejot no reaģentiem uz produktiem, ir kāda īpašība, ko sauc par iekšējo enerģiju (U). Iekšējās enerģijas izmaiņas tiek apzīmētas kā ∆U.
∆U = q + w; kur q ir siltums un w ir paveiktais darbs
Iekšējo enerģiju sauc par stāvokļa funkciju, jo tās vērtība ir atkarīga no sistēmas stāvokļa, nevis no tā, kā sistēma šajā stāvoklī nonāca. Tas ir, izmaiņas U, pārejot no sākuma stāvokļa “i” uz galīgo stāvokli “f”, ir atkarīgas tikai no U vērtībām sākuma un beigu stāvoklī.
∆U = U f - U i
Saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu, izolētas sistēmas iekšējā enerģijas maiņa ir nulle. Visums ir izolēta sistēma; tāpēc ∆U Visumam ir nulle.
Kāda ir atšķirība starp entalpiju un iekšējo enerģiju?
• Enalpiju var attēlot šādā vienādojumā, kur U ir iekšējā enerģija, p ir spiediens un V ir sistēmas tilpums.
H = U + pV
• Tāpēc iekšējā enerģija ir entalpijas termiņā. Entalpija tiek dota kā
∆U = q + w
