Entalpia

Entalpia (zawartość ciepła) – w termodynamice wielkość fizyczna będąca funkcją stanu mająca wymiar energii, będąca też potencjałem termodynamicznym, oznaczana przez  , lub  którą definiuje zależność:
 

gdzie:
  – entalpia układu,
  – energia wewnętrzna układu,
  – ciśnienie,
  – objętość.

Z powyższego wzoru wynika sens fizyczny entalpii. Entalpia jest równa sumie:
 energii wewnętrznej, czyli energii, jaka jest potrzebna do utworzenia układu, gdy jest on tworzony w otoczeniu próżni,
 iloczynu  który jest równy pracy, jaką należy wykonać nad otoczeniem, by w danych warunkach uzyskać miejsce na układ.

Wszystkie wielkości definiujące entalpię są parametrami stanu, dlatego entalpia też jest funkcją stanu.

Nieskończenie małą zmianę entalpii określa wzór:
 

Dla procesów, zachodzących dla ciał stałych i cieczy pod niezbyt dużym ciśnieniem składniki  i  są małe w porównaniu do  i mogą być pominięte, wówczas zmiana entalpii jest równa zmianie energii wewnętrznej:

Entalpia jako zawartość ciepła 
Z definicji entalpii i I zasady termodynamiki:
 

Gdy układ wykonuje wyłącznie pracę objętościową oraz gdy ciśnienie jest stałe, wówczas zmiana entalpii jest równa ciepłu dostarczonemu do układu:
 

Z tego, że entalpia jest funkcją stanu oraz powyższego wynika, że dla dowolnego procesu, w którym ciśnienie początkowe jest równe ciśnieniu końcowemu, ilość ciepła dostarczonego do układu jest równa zmianie entalpii:
 

Przemiany przebiegające przy stałym ciśnieniu są bardzo często spotykane w praktyce (np. kocioł parowy, przemiany fazowe, reakcje chemiczne), stąd entalpia jest bardzo często wykorzystywaną w obliczeniach funkcją stanu.

W termodynamice technicznej przydatne są wielkości termodynamiczne właściwe (odniesione do jednostki masy rozpatrywanego czynnika termodynamicznego). Wprowadza się więc entalpię właściwą:
 

Dla entalpii właściwej można zapisać wzór definicyjny w następującej postaci:
 

gdzie:
  – energia wewnętrzna właściwa,
  – objętość właściwa.

Zależność entalpii od temperatury 
Entalpia substancji zależy od jej temperatury. Przy stałym ciśnieniu  jest nazywana pojemnością cieplną
 

lub
 

gdzie:  – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu,  – masa substancji.

Entalpia standardowa 
Entalpia standardowa to entalpia danej substancji w jej czystej postaci w ciśnieniu standardowym (tj. 1 bar) w danej temperaturze. Zmianę entalpii standardowej oznacza się symbolem  Oznaczając entalpie, jak i entalpie standardowe, wprowadza się do symbolu entalpii oznaczenie przemiany  gdzie  oznacza przemianę. Stosowany jest też zapis 

Entalpie standardowe tworzenia 1 mola (zobacz Standardowe molowe ciepło tworzenia) substancji są podawane w tabelach własności fizycznych substancji. Przyjmuje się, że pierwiastki w ich podstawowym stanie w warunkach standardowych mają entalpię równą 0.

Przykłady entalpii standardowych tworzenia:
 wodór cząsteczkowy (): 0
 wodór atomowy (H): +217,97 kJ/mol
 tlen (): 0
 woda ciekła (): −285,83 kJ/mol
 para wodna: −241,82 kJ/mol

Entalpia przemian

Inne 
Z definicji oraz wyrażenia na energię wewnętrzną dla procesów odwracalnych:
 

wynika:
 

Z zależności tej wynika:
  – związek z temperaturą,
  – związek z objętością,
  – związek z potencjałem chemicznym,

gdzie:
  – energia wewnętrzna,
  – ciśnienie,
  – objętość,
  – entropia.

Entalpia gazów rzeczywistych i innych substancji zależy w sposób bardziej skomplikowany od temperatury, konieczne jest zastosowanie bardziej skomplikowanych zależności, uwzględniających m.in. ciśnienie. Szczególnie skomplikowane jest wyznaczenie entalpii stosowanej w technice pary wodnej (np. w kotłach i turbinach parowych, suszarniach, wymiennikach ciepła, sprężarkach i wentylatorach do gazów wilgotnych, silnikach cieplnych, zwłaszcza z wtryskiem wody bądź pary wodnej, sieci i węzłów ciepłowniczych i innych), gdyż jej parametry są oddalone w stosunkowo niewielkim stopniu od linii nasycenia i punktu krytycznego.

W termodynamice nie jest istotna wartość całkowitej entalpii, lecz jej przyrost lub zmniejszenie w danym procesie. Przyrost entalpii występuje w sprężarkach, natomiast zmniejszenie – w turbinach cieplnych.

Moc maszyny przepływowej (turbiny, sprężarki) obliczana jest jako iloczyn zmniejszenia (bądź przyrostu) wewnętrznego entalpii czynnika przepływowego i strumienia masy rozprężanego (lub sprężanego) czynnika.

Entalpia jako transformata Legendre’a 
Entalpia  jest transformatą Legendre’a energii wewnętrznej  po zmiennej 

W równaniu:
 

 jest zmienną niezależną, a  zależną (funkcją objętości).

Dokonując transformacji Legendre’a, otrzymuje się nową funkcję  w której  jest zmienną niezależną, a  zależną (funkcją ciśnienia), czyli:

Zobacz też 

 energia swobodna
 energia wewnętrzna
 entalpia swobodna
 funkcja stanu
 maszyna cieplna
 potencjały termodynamiczne
 rozprężanie
 spalanie
 sprężanie
 turbina parowa

Uwagi

Przypisy

Bibliografia 
 
 

Termodynamiczne funkcje stanu
Energia