Формула для расчета энтальпии в химии
Энтальпия - фундаментальная величина при изучении тепловых процессов в химии. От точности ее вычисления зависят результаты многих важных расчетов. Давайте разберемся, что такое энтальпия, как она рассчитывается и для чего применяется ее формула.
Определение энтальпии
По сути, энтальпия представляет собой теплоту, которую термодинамическая система способна отдать или поглотить при постоянном давлении. Например, нагревая воду в чайнике, мы передаем ей энергию, увеличивая энтальпию. А остывающий чай отдает тепло обратно в окружающую среду, энтальпия уменьшается.
Сам термин происходит от греческого "нагревание". Его предложил голландский физик Камерлинг-Оннес в 1909 году для обозначения суммарной тепловой энергии.
Формула энтальпии через термодинамические величины
В термодинамике энтальпия определяется по формуле:
H = U + pV
Здесь H - энтальпия системы, U - ее внутренняя энергия, p - давление, V - объем. Иными словами, энтальпия равна сумме хранящейся в системе энергии плюс энергия, затраченная на совершение работы по расширению системы против внешнего давления.
Данная формула выводится из первого закона термодинамики, который описывает сохранение и превращение энергии. Путем математических преобразований он принимает вид:
dQ = dH - Vdp
где Q - теплота, переданная системе. Отсюда видно, что при постоянном давлении (dp = 0) переданная теплота увеличивает именно энтальпию системы.
В СИ энтальпия измеряется в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж) на моль, килограмм или кубический метр вещества.
Типы энтальпий в зависимости от процесса
При описании химических и фазовых превращений различают несколько видов энтальпий.
- Энтальпия образования вещества из простых элементов;
- Энтальпия химической реакции;
- Энтальпия растворения, сгорания, нейтрализации и т.д.;
- Энтальпия фазового перехода (плавления, испарения).
Во всех случаях под энтальпией понимается количество теплоты, которое либо выделяется, либо поглощается системой за счет протекающего процесса.
Пример расчета энтальпии реакции
Рассмотрим конкретный пример вычисления энтальпии химической реакции - образования метана из углерода и водорода:
C + 2H2 = CH4
Энтальпия этой реакции вычисляется по формуле:
ΔH = ∑Hпродуктов - ∑Hреагентов
Где ΔH - изменение энтальпии в результате реакции. Подставляя известные значения стандартных энтальпий образования веществ, получаем:
| ∑Hпродуктов = H(CH4) | -74,6 кДж/моль |
| ∑Hреагентов = H(C) + 2·H(H2) | 0 + 2·0 = 0 кДж/моль |
| ΔH = -74,6 - 0 = | -74,6 кДж/моль |
Мы видим, что образование метана является экзотермическим процессом, то есть сопровождается выделением теплоты. По значению ΔH = -74,6 кДж/моль можно рассчитать тепловой эффект для конкретных количеств реагирующих веществ.
Реакции в прикладных задачах
Формула для расчета энтальпии незаменима в различных практических приложениях.
С ее помощью можно:
- Оценить требуемые энергозатраты технологических процессов;
- Рассчитать балансы теплообменных установок;
- Спрогнозировать выход продукции химических реакций;
- Подобрать оптимальные условия для проведения синтезов.
Например, зная формулу энтальпии для реакции горения метана:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
и теплоту сгорания метана ΔH = -890 кДж/моль, можно рассчитать необходимое количество топлива для нагрева печи до заданной температуры.
Таким образом, формула энтальпии позволяет на основе термодинамических данных получать практически важные результаты для инженерии, энергетики, химической промышленности.
Особенности расчета энтальпии газов
Для газообразных систем существуют определенные особенности в расчетах энтальпии. Рассмотрим их на примере такого распространенного газа, как воздух.
Воздух представляет собой смесь различных газов, главным образом азота и кислорода. При нормальных условиях воздух ведет себя практически как идеальный газ.
Энтальпия воздуха формула через параметры состояния
Для идеального газа существует упрощенная формула энтальпии через давление, молярную массу и температуру:
h = CрT
Здесь h - удельная энтальпия, Cр - теплоемкость газа при постоянном давлении, T - абсолютная температура. Для таких газов, как воздух, значения Cр и молярной массы М известны и справочны.
Расчет энтальпии нагревания воздуха
Рассмотрим пример расчета по формуле изменения энтальпии при нагревании воздуха.
Пусть необходимо нагреть 1 м3 воздуха от 20°С до 100°С. Составим подстановку в формулу для конечного (h2) и начального (h1) состояний:
- Мвоздуха = 29 кг/кмоль;
- Т1 = 20°С = 293 К;
- Т2 = 100°С = 373 К;
- Ср = 29,3 Дж/(моль·К).
Проводим вычисления:
Δh = h2 - h1 = Cр·(T2 - T1) = 29,3·(373 - 293) = 2930 Дж/моль
Полученное значение Δh показывает, что для нагревания воздуха потребуется около 3 кДж на 1 моль, или приблизительно 100 кДж на 1 м3 в нашем случае.
Анализ энтальпии фазовых переходов воздуха
Еще одним важным применением формулы для идеального газа является оценка фазовых переходов. Хотя воздух конденсируется при очень низких температурах, расчет энтальпии испарения или кипения по известным справочным данным позволяет получать важные энергетические характеристики.
Например, для жидкого азота как основного компонента воздуха известна энтальпия испарения ΔХисп = 199,3 кДж/моль. Зная это значение, можно рассчитать расход энергии, необходимый для кипения и конденсации азота в различных технических устройствах.
Применение энтальпии воздуха на практике
Подводя итог, отметим, что формула энтальпии для воздуха и других газов позволяет решать следующие практические задачи:
- Расчет энергозатрат на нагрев/охлаждение;
- Определение тепловых эффектов фазовых переходов;
- Анализ работы газовых теплообменных и холодильных установок.
Владение методикой вычисления энтальпии газа и умение применять соответствующие формулы является неотъемлемой частью инженерной подготовки специалистов.