Entalpia – termodynamiikan määritelmä, laskenta ja merkitys

Entalpia – termodynamiikan peruskäsite: määritelmä, laskukaavat ja merkitys vakiopaineessa. Selkeä opas entalpian muutoksen laskentaan ja käytännön sovelluksiin kemiassa ja tekniikassa.

Enthalpia on käsite, jota käytetään luonnontieteissä ja tekniikassa, kun lämpöä ja työtä on laskettava. Nimi tulee kreikan sanasta "enthalpos" (ενθαλπος), joka tarkoittaa "lämpöä". Idean ja sanan keksi hollantilainen tiedemies Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1909.

Kun aine muuttuu vakiopaineessa, entalpia kertoo, kuinka paljon lämpöä ja työtä aineeseen on lisätty tai siitä on poistettu.

Enthalpia on samankaltainen kuin energia, mutta ei sama asia. Kun aine kasvaa tai kutistuu, energiaa kuluu tai vapautuu. Enthalpia ottaa huomioon tämän energian. Tämän vuoksi tutkijat laskevat usein entalpian muutoksen eikä energian muutoksen.

Tarkastellaan järjestelmää, jossa on kiinteä määrä kaasua. Kaikki järjestelmään tuleva lämpöenergia:

1) Kaasun sisäisen energian lisääminen

tai

2) johtaa siihen, että järjestelmän laajentamiseksi tehdään töitä. Tehty työ on paineiden ja tilavuuden tulo. Enthalpia ottaa siis huomioon nämä molemmat tekijät:

Määritelmä ja perusyhtälöt

Entalpia H määritellään termodynamiikassa suljetulle järjestelmälle muotoa

H = U + pV

missä U on järjestelmän sisäinen energia, p paine ja V tilavuus. Tästä seuraa differentiaalimuoto

dH = dU + p dV + V dp.

Ensimmäisen pääsäännön (energian säilymislain) avulla, suljetulla järjestelmällä, joka saa lämmön δQ ja tekee laajentumistyötä p dV, pätee

dU = δQ - p dV.

Sijoittamalla tämä yllä olevaan saadaan

dH = δQ + V dp.

Erityisesti vakiopaineessa (dp = 0) entalpian muutos ΔH on yhtä kuin siirtynyt lämpömäärä Qp:

ΔH = Q_p (vakiopaineessa)

Yksiköt ja laajentuvat käsitteet

• Entalpian yksikkö SI-järjestelmässä on joule (J). Käytännössä käytetään usein myös kJ/mol tai kJ/kg (moolinen tai ominaisentalpia).
• Entalpia on laajeneva suure: kaksinkertainen määrä ainetta tarkoittaa kaksinkertaista entalpiaa.
• Ominaisentalpia h = H/m ja moolinen entalpia H̄ (tai H_m) ovat hyödyllisiä avoimissa virtauksissa ja kemiallisissa laskelmissa.

Laskeminen käytännössä

Entalpian muutos lämpötilan muuttuessa voidaan laskea lämpökapasiteetin avulla:

ΔH = ∫ Cp dT

missä Cp on entalpiaparat mutta pysyvällä paineella (molaarinen tai massapohjainen). Ideaali- tai lauhdejärjestelmälle Cp voi olla funktio T:stä; ideaalikaasulle Cp riippuu tavallisesti vain lämpötilasta, jolloin integraali riittää. Jos tapahtuu faasimuutos (esim. sulaminen, höyrystyminen), täytyy huomioida myös latenttilämpö (entalpiahyppy) kyseisessä lämpötilassa.

Entalpian merkitys kemiallisissa reaktioissa ja prosesseissa

• Reaktioentalpia ΔH_rxn kertoo, vapautuuko vai sitoutuuko lämpöä reaktiossa. Eksoterminen reaktio: ΔH < 0, endoterminen: ΔH > 0.
• Standardientalpia (esim. muodostumisentalpia ΔHf°) antaa referenssin aineen entalpialle tietyssä vakio-olosuhteessa (yleensä 1 bar ja 25 °C).
• Hessin laki mahdollistaa reaktioentalpioiden laskemisen reaktiopolusta riippumatta: kokonaisentalpia muutos on reitin varrella tapahtuvien osamuutosten summa.

Avoimet järjestelmät ja virtausentalpia

Teollisissa prosesseissa ja laitteissa (turbina, kompressori, lämmönvaihdin) käytetään usein ominaisentalpiaa h = u + p v (u = ominaisenergia, v = ominaisvolyymi). Energiasaldoissa virtaavalle aineelle entalpia sisältää sekä sisäenergian että työosuuden, joka liittyy massan siirtymiseen järjestelmään tai järjestelmästä pois.

Käyttökohteita ja esimerkkejä

• Sähköntuotanto: höyryvoimalaitosten lämpö- ja tehonlaskelmat perustuvat vesihöyryn entalpiataulukkoihin.
• Kemian teollisuus: reaktorien lämmönhallinta ja jäähdytys mitoitetaan reaktioentalpioiden perusteella.
• Ilmastointi ja jäähdytys: kylmäaineen höyrystys- ja lauhdutusentalpiat määrittävät siirretyn lämmön määrän.
• Laboratoriokokeet: kalorimetria mittaa reaktioiden tai seosten entalpiamuutoksia.

Erityistapaukset ja huomioitavaa

• Ideaalikaasuille entalpia riippuu käytännössä vain lämpötilasta (H = H(T)), paineen vaikutus on vähäinen. Reaalikaasuissa ja nesteissä pV-termin vaikutus voi olla merkittävä.
• Entalpia on määritelty referenssitilojen kautta: absoluuttista entalpian arvoa ei voida mitata, vaan mitataan muutoksia suhteessa valittuun nollatasoon.
• Kun lasketaan energiasaldoja, on tärkeää huomioida myös liikettä ja korkeutta vastaavat kineettinen ja potentiaalienergia, jos ne ovat merkittäviä.

Yhteenveto

Entalpia on käytännöllinen ja laajasti käytetty termodynaaminen suure, joka yhdistää sisäenergian ja paine‑tilavuustyön. Erityisesti vakiopaineprosesseissa entalpian muutos vastaa siirtyvää lämpömäärää, mikä tekee siitä keskeisen suureen kemian, prosessi‑ ja energiatekniikan laskelmissa. Entalpiaa käsitellään yleisesti moolisena tai ominaisarvona, ja sen muutokset lasketaan lämpökapasiteeteista, faasimuutoksista sekä referenssi‑entalpioista (kuten muodostumisentalpiat).

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mikä on entalpia?

K: Mistä nimi "entalpia" tulee?

K: Kuka keksi idean ja sanan "entalpia"?

K: Miten entalpia liittyy energiaan?

K: Miksi tutkijat laskevat usein entalpian muutoksen eikä energian muutoksen?

K: Mitä tapahtuu, kun lämpöenergiaa tulee järjestelmään, joka sisältää kiinteän määrän kaasua?

K: Miten entalpia ottaa huomioon paineen ja tilavuuden tekijät?

Hae kirjaimella