Ενθαλπία εναντίον Εσωτερικής Ενέργειας
Για τους σκοπούς της μελέτης στη χημεία, χωρίζουμε το σύμπαν στα δύο ως σύστημα και ως περιβάλλον. Ανά πάσα στιγμή, το κομμάτι που μας ενδιαφέρει είναι το σύστημα και το υπόλοιπο είναι το περιβάλλον. Η ενθαλπία και η εσωτερική ενέργεια είναι δύο έννοιες που σχετίζονται με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής και περιγράφουν τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε ένα σύστημα και το περιβάλλον.
Τι είναι η ενθαλπία;
Όταν λαμβάνει χώρα μια αντίδραση, μπορεί να απορροφήσει ή να εκλύσει θερμότητα, και εάν η αντίδραση διεξάγεται σε σταθερή πίεση, αυτή η θερμότητα ονομάζεται ενθαλπία της αντίδρασης. Η ενθαλπία των μορίων δεν μπορεί να μετρηθεί. Επομένως, μετράται η μεταβολή της ενθαλπίας κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης. Η μεταβολή της ενθαλπίας (ΔΗ) για μια αντίδραση σε μια δεδομένη θερμοκρασία και πίεση προκύπτει αφαιρώντας την ενθαλπία των αντιδρώντων από την ενθαλπία των προϊόντων. Εάν αυτή η τιμή είναι αρνητική, τότε η αντίδραση είναι εξώθερμη. Εάν η τιμή είναι θετική, τότε η αντίδραση λέγεται ενδόθερμη. Η αλλαγή στην ενθαλπία μεταξύ οποιουδήποτε ζεύγους αντιδρώντων και προϊόντων είναι ανεξάρτητη από τη διαδρομή μεταξύ τους. Επιπλέον, η μεταβολή της ενθαλπίας εξαρτάται από τη φάση των αντιδρώντων. Για παράδειγμα, όταν τα αέρια οξυγόνου και υδρογόνου αντιδρούν για την παραγωγή υδρατμών, η μεταβολή της ενθαλπίας είναι -483,7 kJ. Ωστόσο, όταν τα ίδια αντιδρώντα αντιδρούν για να παράγουν υγρό νερό, η μεταβολή της ενθαλπίας είναι -571,5 kJ.
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (σολ); ∆H=-483,7 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (μεγάλο); ∆H=-571,7 kJ
Τι είναι η εσωτερική ενέργεια;
Η θερμότητα και η εργασία είναι δύο τρόποι μεταφοράς ενέργειας. Στις μηχανικές διεργασίες, η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από το ένα μέρος στο άλλο, αλλά η συνολική ποσότητα ενέργειας διατηρείται. Σε χημικούς μετασχηματισμούς, ισχύει παρόμοια αρχή. Σκεφτείτε μια αντίδραση όπως η καύση μεθανίου.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H 2O
Αν η αντίδραση λάβει χώρα σε ένα σφραγισμένο δοχείο, το μόνο που συμβαίνει είναι ότι απελευθερώνεται θερμότητα. Θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το απελευθερωμένο ένζυμο για να κάνουμε μηχανικές εργασίες, όπως λειτουργία στρόβιλου ή ατμομηχανής, κ.λπ. Υπάρχει άπειρος αριθμός τρόπων με τους οποίους η ενέργεια που παράγεται από την αντίδραση θα μπορούσε να διαιρεθεί μεταξύ θερμότητας και εργασίας. Ωστόσο, διαπιστώνεται ότι το άθροισμα της θερμότητας που εξελίχθηκε και η μηχανική εργασία που γίνεται είναι πάντα σταθερή. Αυτό οδηγεί στην ιδέα ότι κατά τη μετάβαση από τα αντιδρώντα σε προϊόντα, υπάρχει κάποια ιδιότητα που ονομάζεται εσωτερική ενέργεια (U). Η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας συμβολίζεται ως ΔU.
∆U=q + w; όπου q είναι η θερμότητα και w είναι η εργασία που έγινε
Η εσωτερική ενέργεια ονομάζεται συνάρτηση κατάστασης καθώς η τιμή της εξαρτάται από την κατάσταση του συστήματος και όχι από το πώς βρέθηκε το σύστημα σε αυτήν την κατάσταση. Δηλαδή, η αλλαγή στο U, όταν πηγαίνει από την αρχική κατάσταση «i» στην τελική κατάσταση «f», εξαρτάται μόνο από τις τιμές του U στην αρχική και τελική κατάσταση.
∆U=Uf – Ui
Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, η εσωτερική μεταβολή της ενέργειας ενός απομονωμένου συστήματος είναι μηδέν. Το Σύμπαν είναι ένα απομονωμένο σύστημα. Επομένως, η ΔU για το σύμπαν είναι μηδέν.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ Ενθαλπίας και Εσωτερικής Ενέργειας;
• Η ενθαλπία μπορεί να παρουσιαστεί στην ακόλουθη εξίσωση όπου U είναι η εσωτερική ενέργεια, p είναι πίεση και V είναι ο όγκος του συστήματος.
H=U + pV
• Επομένως, η εσωτερική ενέργεια βρίσκεται εντός του όρου της ενθαλπίας. Η ενθαλπία δίνεται ως, ∆U=q + w
