Entalpie versus vnitřní energie
Pro studijní účely v chemii rozdělujeme vesmír na dva jako systém a okolí. V každém okamžiku nás zajímá systém a zbytek je okolí. Entalpie a vnitřní energie jsou dva pojmy související s prvním zákonem termodynamiky a popisují reakce probíhající v systému a okolí.
Co je entalpie?
Když probíhá reakce, může absorbovat nebo vyvíjet teplo, a pokud reakce probíhá za konstantního tlaku, nazývá se toto teplo entalpie reakce. Entalpii molekul nelze měřit. Proto se měří změna entalpie během reakce. Změnu entalpie (∆H) pro reakci při dané teplotě a tlaku získáme odečtením entalpie reaktantů od entalpie produktů. Pokud je tato hodnota záporná, pak je reakce exotermická. Je-li hodnota kladná, pak se říká, že reakce je endotermická. Změna entalpie mezi jakýmkoliv párem reaktantů a produktů je nezávislá na cestě mezi nimi. Navíc změna entalpie závisí na fázi reaktantů. Například, když plynný kyslík a vodík reagují za vzniku vodní páry, je změna entalpie -483,7 kJ. Když však stejné reaktanty reagují za vzniku kapalné vody, změna entalpie je -571,5 kJ.
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (G); ∆H=-483,7 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (1); ∆H=-571,7 kJ
Co je vnitřní energie?
Teplo a práce jsou dva způsoby přenosu energie. V mechanických procesech může být energie přenášena z jednoho místa na druhé, ale celkové množství energie je zachováno. Při chemických přeměnách platí podobný princip. Zvažte reakci, jako je spalování metanu.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H 2O
Pokud reakce probíhá v uzavřené nádobě, dojde pouze k uvolnění tepla. Tento uvolněný enzym bychom mohli použít k mechanické práci, jako je provoz turbíny nebo parního stroje atd. Existuje nekonečně mnoho způsobů, jak lze energii produkovanou reakcí rozdělit mezi teplo a práci. Bylo však zjištěno, že součet vyvinutého tepla a vykonané mechanické práce je vždy konstantní. To vede k myšlence, že při přechodu od reaktantů k produktům existuje určitá vlastnost nazývaná vnitřní energie (U). Změna vnitřní energie je označena jako ∆U.
∆U=q + w; kde q je teplo a w je vykonaná práce
Vnitřní energie se nazývá stavová funkce, protože její hodnota závisí na stavu systému a ne na tom, jak se systém do tohoto stavu dostal. To znamená, že změna U při přechodu z počátečního stavu „i“do konečného stavu „f“závisí pouze na hodnotách U v počátečním a konečném stavu.
∆U=Uf – Ui
Podle prvního zákona termodynamiky je vnitřní změna energie izolovaného systému nulová. Vesmír je izolovaný systém; proto je ∆U pro vesmír nula.
Jaký je rozdíl mezi entalpií a vnitřní energií?
• Entalpii lze prezentovat v následující rovnici, kde U je vnitřní energie, p je tlak a V je objem systému.
H=U + pV
• Vnitřní energie je tedy v rámci termínu entalpie. Entalpie se udává jako, ∆U=q + w
