Entalpia a energia wewnętrzna
Dla celów badawczych w chemii dzielimy wszechświat na dwie części jako system i otoczenie. W każdej chwili interesuje nas część systemu, a reszta to otoczenie. Entalpia i energia wewnętrzna to dwa pojęcia związane z pierwszą zasadą termodynamiki i opisują reakcje zachodzące w układzie i otoczeniu.
Co to jest entalpia?
Kiedy zachodzi reakcja, może ona pochłaniać lub wydzielać ciepło, a jeśli reakcja jest prowadzona pod stałym ciśnieniem, ciepło to nazywa się entalpią reakcji. Nie można zmierzyć entalpii cząsteczek. Dlatego mierzy się zmianę entalpii podczas reakcji. Zmianę entalpii (∆H) dla reakcji w danej temperaturze i ciśnieniu uzyskuje się przez odjęcie entalpii reagentów od entalpii produktów. Jeśli ta wartość jest ujemna, reakcja jest egzotermiczna. Jeśli wartość jest dodatnia, mówi się, że reakcja jest endotermiczna. Zmiana entalpii między dowolną parą reagentów i produktów jest niezależna od ścieżki między nimi. Ponadto zmiana entalpii zależy od fazy reagentów. Na przykład, gdy gazowy tlen i wodór reagują z wytworzeniem pary wodnej, zmiana entalpii wynosi -483,7 kJ. Jednak gdy te same reagenty reagują z wytworzeniem ciekłej wody, zmiana entalpii wynosi -571,5 kJ.
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (g); ∆H=-483,7 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (l); ∆H=-571.7 kJ
Co to jest energia wewnętrzna?
Ciepło i praca to dwa sposoby przekazywania energii. W procesach mechanicznych energia może być przenoszona z jednego miejsca na drugie, ale całkowita ilość energii jest zachowana. W przemianach chemicznych obowiązuje podobna zasada. Rozważ reakcję, taką jak spalanie metanu.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H 2O
Jeśli reakcja zachodzi w szczelnie zamkniętym pojemniku, wszystko, co się dzieje, to uwalnianie ciepła. Moglibyśmy użyć tego uwolnionego enzymu do wykonywania prac mechanicznych, takich jak uruchamianie turbiny lub silnika parowego itp. Istnieje nieskończona liczba sposobów, na które energia wytworzona w reakcji może zostać podzielona między ciepło i pracę. Stwierdzono jednak, że suma wydzielonego ciepła i wykonanej pracy mechanicznej jest zawsze stała. Prowadzi to do koncepcji, że w przejściu od substratów do produktów istnieje pewna właściwość zwana energią wewnętrzną (U). Zmiana energii wewnętrznej jest oznaczona jako ∆U.
∆U=q + w; gdzie q to ciepło, a w to praca wykonana
Wewnętrzna energia nazywana jest funkcją stanu, ponieważ jej wartość zależy od stanu systemu, a nie od tego, jak system doszedł do tego stanu. Oznacza to, że zmiana U przy przejściu ze stanu początkowego „i” do stanu końcowego „f” zależy tylko od wartości U w stanie początkowym i końcowym.
∆U=Uf – Ui
Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, wewnętrzna zmiana energii izolowanego układu wynosi zero. Wszechświat jest systemem izolowanym; dlatego ∆U dla wszechświata wynosi zero.
Jaka jest różnica między entalpią a energią wewnętrzną?
• Entalpię można przedstawić w następującym równaniu, w którym U to energia wewnętrzna, p to ciśnienie, a V to objętość układu.
H=U + pV
• Dlatego energia wewnętrzna mieści się w zakresie entalpii. Entalpia jest podana jako, ∆U=q + w
