Entalpija proti notranji energiji
Za študijske namene kemije delimo vesolje na dvoje kot sistem in okolico. V vsakem trenutku je del, ki nas zanima, sistem, ostalo pa okolica. Entalpija in notranja energija sta dva pojma, povezana s prvim zakonom termodinamike in opisujeta reakcije, ki potekajo v sistemu in okolici.
Kaj je entalpija?
Ko poteka reakcija, lahko absorbira ali razvije toploto, in če reakcija poteka pri konstantnem tlaku, se ta toplota imenuje reakcijska entalpija. Entalpije molekul ni mogoče izmeriti. Zato se meri sprememba entalpije med reakcijo. Spremembo entalpije (∆H) za reakcijo pri določeni temperaturi in tlaku dobimo z odštevanjem entalpije reaktantov od entalpije produktov. Če je ta vrednost negativna, je reakcija eksotermna. Če je vrednost pozitivna, potem rečemo, da je reakcija endotermna. Sprememba entalpije med katerim koli parom reaktantov in produktov je neodvisna od poti med njima. Poleg tega je sprememba entalpije odvisna od faze reaktantov. Na primer, ko plina kisik in vodik reagirata, da proizvedeta vodno paro, je sprememba entalpije -483,7 kJ. Ko pa isti reaktanti reagirajo, da proizvedejo tekočo vodo, je sprememba entalpije -571,5 kJ.
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (g); ∆H=-483,7 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (l); ∆H=-571,7 kJ
Kaj je notranja energija?
Toplota in delo sta dva načina prenosa energije. Pri mehanskih procesih se lahko energija prenaša z enega mesta na drugega, vendar se celotna količina energije ohrani. Pri kemičnih transformacijah velja podoben princip. Razmislite o reakciji, kot je izgorevanje metana.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H 2O
Če reakcija poteka v zaprti posodi, se le sprosti toplota. Ta sproščeni encim bi lahko uporabili za opravljanje mehanskega dela, kot je zagon turbine ali parnega stroja itd. Obstaja neskončno število načinov, kako bi lahko energijo, proizvedeno pri reakciji, razdelili med toploto in delo. Vendar je ugotovljeno, da je vsota proizvedene toplote in opravljenega mehanskega dela vedno konstanta. To vodi do ideje, da pri prehodu od reaktantov do produktov obstaja lastnost, imenovana notranja energija (U). Sprememba notranje energije je označena z ∆U.
∆U=q + w; kjer je q toplota in w opravljeno delo
Notranja energija se imenuje funkcija stanja, saj je njena vrednost odvisna od stanja sistema in ne od tega, kako se je sistem znašel v tem stanju. To pomeni, da je sprememba U pri prehodu iz začetnega stanja "i" v končno stanje "f" odvisna samo od vrednosti U v začetnem in končnem stanju.
∆U=Uf – Ui
V skladu s prvim zakonom termodinamike je sprememba notranje energije izoliranega sistema enaka nič. Vesolje je izoliran sistem; zato je ∆U za vesolje nič.
Kakšna je razlika med entalpijo in notranjo energijo?
• Entalpijo lahko predstavimo v naslednji enačbi, kjer je U notranja energija, p tlak in V prostornina sistema.
H=U + pV
• Zato je notranja energija znotraj entalpije. Entalpija je podana kot
∆U=q + w
