Entalpia vs. sisäinen energia
Kemian tutkimustarkoituksiin jaamme universumin kahteen järjestelmään ja ympäröivään. Olemme aina kiinnostuneita järjestelmästä, ja loput ympäröivät. Entopia ja sisäinen energia ovat kaksi termodynamiikan ensimmäiseen lakiin liittyvää käsitettä, ja ne kuvaavat järjestelmässä ja sitä ympäröiviä reaktioita.
Mikä on entalpia?
Kun reaktio tapahtuu, se voi absorboida tai kehittää lämpöä, ja jos reaktio tapahtuu vakiopaineessa, tätä lämpöä kutsutaan reaktion entalpiaksi. Molekyylien entalpiaa ei voida mitata. Siksi mitataan entalpian muutos reaktion aikana. Entalpian muutos (∆H) reaktiolle tietyssä lämpötilassa ja paineessa saadaan vähentämällä reaktanttien entalpia tuotteiden entalpiasta. Jos tämä arvo on negatiivinen, reaktio on eksoterminen. Jos arvo on positiivinen, reaktion sanotaan olevan endoterminen. Minkä tahansa reaktantti- ja tuoteparin välinen entalpian muutos on riippumaton niiden välisestä polusta. Lisäksi entalpian muutos riippuu reaktanttien faasista. Esimerkiksi kun happi- ja vetykaasut reagoivat vesihöyryn tuottamiseen, entalpian muutos on -483,7 kJ. Kuitenkin,kun samat reaktantit reagoivat tuottamaan nestemäistä vettä, entalpian muutos on -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
Mikä on sisäinen energia?
Lämpö ja työ ovat kaksi tapaa siirtää energiaa. Mekaanisissa prosesseissa energia voidaan siirtää paikasta toiseen, mutta energian kokonaismäärä säilyy. Kemiallisissa muunnoksissa pätee samanlainen periaate. Tarkastellaan reaktiota, kuten metaanin palamista.
CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
Jos reaktio tapahtuu suljetussa astiassa, tapahtuu vain se, että lämpö vapautuu. Voisimme käyttää tätä vapautunutta entsyymiä mekaaniseen työhön, kuten turbiinin tai höyrykoneen käyttämiseen, jne. On ääretön määrä tapoja, joilla reaktion tuottama energia voidaan jakaa lämmön ja työn kesken. On kuitenkin havaittu, että kehittyvän lämmön ja tehdyn mekaanisen työn summa on aina vakio. Tämä johtaa ajatukseen, että siirtymällä reagensseista tuotteisiin on jotain ominaisuutta, jota kutsutaan sisäiseksi energiaksi (U). Sisäisen energian muutos on merkitty ∆U.
∆U = q + w; missä q on lämpö ja w on tehty työ
Sisäistä energiaa kutsutaan tilafunktioksi, koska sen arvo riippuu järjestelmän tilasta eikä siitä, miten järjestelmä on siinä tilassa. Toisin sanoen U: n muutos, kun siirrytään alkutilasta "i" lopputilaan "f", riippuu vain U: n arvoista alku- ja lopputiloissa.
∆U = U f - U i
Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan eristetyn järjestelmän sisäinen energiamuutos on nolla. Universumi on eristetty järjestelmä; siksi ∆U universumille on nolla.
Mitä eroa on entalpialla ja sisäisellä energialla?
• Entalpia voidaan esittää seuraavassa yhtälössä, jossa U on sisäinen energia, p on paine ja V on järjestelmän tilavuus.
H = U + pV
• Siksi sisäinen energia on entalpiatermillä. Entalpia annetaan
∆U = q + w
