Entalpia vs sisäinen energia
Kemian opiskelua varten jaamme maailmankaikkeuden kahteen osaan järjestelmänä ja ympäristönä. Meitä kiinnostaa aina järjestelmä ja loput ympäröivästä osasta. Entalpia ja sisäinen energia ovat kaksi termodynamiikan ensimmäiseen pääsääntöön liittyvää käsitettä, ja ne kuvaavat järjestelmässä ja ympäristössä tapahtuvia reaktioita.
Mikä on entalpia?
Kun reaktio tapahtuu, se voi absorboida tai kehittää lämpöä, ja jos reaktio tapahtuu vakiopaineessa, tätä lämpöä kutsutaan reaktion entalpiaksi. Molekyylien entalpiaa ei voida mitata. Siksi entalpian muutos reaktion aikana mitataan. Reaktion entalpiamuutos (∆H) tietyssä lämpötilassa ja paineessa saadaan vähentämällä lähtöaineiden entalpia tuotteiden entalpiasta. Jos tämä arvo on negatiivinen, reaktio on eksoterminen. Jos arvo on positiivinen, reaktion sanotaan olevan endoterminen. Entalpian muutos minkä tahansa reagenssiparin ja tuotteen välillä on riippumaton niiden välisestä reitistä. Lisäksi entalpian muutos riippuu reagoivien aineiden faasista. Esimerkiksi kun happi- ja vetykaasut reagoivat muodostaen vesihöyryä, entalpian muutos on -483,7 kJ. Kuitenkin, kun samat lähtöaineet reagoivat tuottaen nestemäistä vettä, entalpian muutos on -571,5 kJ.
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (g); ∆H=-483,7 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (l); ∆H=-571,7 kJ
Mitä on sisäinen energia?
Lämpö ja työ ovat kaksi tapaa siirtää energiaa. Mekaanisissa prosesseissa energiaa voidaan siirtää paikasta toiseen, mutta energian kokonaismäärä säilyy. Kemiallisissa muunnoksissa pätee samanlainen periaate. Harkitse reaktiota, kuten metaanin palamista.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H 2O
Jos reaktio tapahtuu suljetussa astiassa, vain lämpöä vapautuu. Voisimme käyttää tätä vapautunutta entsyymiä mekaaniseen työhön, kuten turbiinin tai höyrykoneen pyörittämiseen jne. On olemassa ääretön määrä tapoja, joilla reaktion tuottama energia voidaan jakaa lämmön ja työn kesken. Kuitenkin havaitaan, että kehittyneen lämmön ja tehdyn mekaanisen työn summa on aina vakio. Tämä johtaa ajatukseen, että siirryttäessä lähtöaineista tuotteiksi on olemassa jokin ominaisuus, jota kutsutaan sisäiseksi energiaksi (U). Sisäisen energian muutos merkitään ∆U.
∆U=q + w; missä q on lämpö ja w on tehty työ
Sisäistä energiaa kutsutaan tilafunktioksi, koska sen arvo riippuu järjestelmän tilasta eikä siitä, miten järjestelmä joutui siihen tilaan. Eli U:n muutos siirtyessään alkutilasta "i" lopputilaan "f" riippuu vain U:n arvoista alku- ja lopputilassa.
∆U=Uf – Ui
Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan eristetyn järjestelmän sisäinen energiamuutos on nolla. Universumi on eristetty järjestelmä; siksi universumin ∆U on nolla.
Mitä eroa on entalpialla ja sisäisellä energialla?
• Entalpia voidaan esittää seuraavassa yhtälössä, jossa U on sisäenergia, p on paine ja V on järjestelmän tilavuus.
H=U + pV
• Siksi sisäinen energia on entalpiatermiassa. Entalpia annetaan muodossa
∆U=q + w
