Entalpija proti notranji energiji
Za študij kemije delimo vesolje na dva kot sistem in okolico. Kadar koli nas zanima, kar je sistem, ostalo pa okoli. Entalpija in notranja energija sta dva koncepta, povezana s prvim zakonom termodinamike, in opisujeta reakcije, ki potekajo v sistemu in okolici.
Kaj je entalpija?
Ko pride do reakcije, lahko absorbira ali razvije toploto, in če reakcijo izvajamo pri stalnem tlaku, se ta toplota imenuje entalpija reakcije. Entalpije molekul ni mogoče izmeriti. Zato se izmeri sprememba entalpije med reakcijo. Spremembo entalpije (∆H) za reakcijo pri dani temperaturi in tlaku dobimo tako, da od entalpije produktov odštejemo entalpijo reaktantov. Če je ta vrednost negativna, je reakcija eksotermna. Če je vrednost pozitivna, naj bi bila reakcija endotermna. Sprememba entalpije med katerim koli parom reaktantov in produktov je neodvisna od poti med njimi. Poleg tega je sprememba entalpije odvisna od faze reaktantov. Ko na primer plini kisika in vodika reagirajo, da tvorijo vodno paro, je sprememba entalpije -483,7 kJ. Vendarko isti reaktanti reagirajo in tvorijo tekočo vodo, je sprememba entalpije -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
Kaj je notranja energija?
Toplota in delo sta dva načina prenosa energije. V mehanskih procesih se energija lahko prenaša z enega kraja na drugega, vendar je celotna količina energije ohranjena. Pri kemijskih transformacijah velja podobno načelo. Razmislite o reakciji, kot je zgorevanje metana.
CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
Če reakcija poteka v zaprti posodi, se zgolj sprošča toplota. Ta sproščeni encim bi lahko uporabili za mehansko delo, na primer za pogon turbine ali parnega stroja itd. Obstaja neskončno veliko načinov, kako bi energijo, proizvedeno v reakciji, razdelili med toploto in delom. Ugotovljeno pa je, da je vsota razvite toplote in opravljenega mehaničnega dela vedno stalnica. To vodi do ideje, da pri prehodu iz reaktantov v izdelke obstaja neka lastnost, imenovana notranja energija (U). Sprememba notranje energije je označena kot ∆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 je sistem v tem stanju nastal. 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 = U f - U i
Po prvem zakonu termodinamike je notranja sprememba 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 entalpijskega izraza. Entalpija je podana kot, ∆U = q + w
