เอนทัลปีเทียบกับพลังงานภายใน
เพื่อวัตถุประสงค์ในการศึกษาเคมี เราแบ่งจักรวาลออกเป็นสองส่วนเป็นระบบและบริเวณโดยรอบ ส่วนไหนที่เราสนใจก็คือระบบ ส่วนที่เหลืออยู่รอบๆ เอนทัลปีและพลังงานภายในเป็นสองแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ และอธิบายปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในระบบและบริเวณโดยรอบ
เอนทาลปีคืออะไร
เมื่อเกิดปฏิกิริยา มันอาจดูดซับหรือทำให้เกิดความร้อน และหากเกิดปฏิกิริยาที่ความดันคงที่ ความร้อนนี้เรียกว่าเอนทาลปีของปฏิกิริยา ไม่สามารถวัดเอนทาลปีของโมเลกุลได้ดังนั้นจึงวัดการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีระหว่างปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี (∆H) สำหรับปฏิกิริยาในอุณหภูมิและความดันที่กำหนดได้มาจากการลบเอนทาลปีของสารตั้งต้นออกจากเอนทาลปีของผลิตภัณฑ์ หากค่านี้เป็นค่าลบ แสดงว่าปฏิกิริยานั้นเป็นแบบคายความร้อน ถ้าค่าเป็นบวก แสดงว่าปฏิกิริยาดูดความร้อน การเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีระหว่างคู่ของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ใดๆ เป็นอิสระจากเส้นทางระหว่างพวกมัน นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงเอนทาลปียังขึ้นอยู่กับเฟสของสารตั้งต้น ตัวอย่างเช่น เมื่อออกซิเจนและก๊าซไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับไอน้ำ การเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีคือ -483.7 kJ อย่างไรก็ตาม เมื่อสารตั้งต้นเดียวกันทำปฏิกิริยากับน้ำของเหลว การเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีคือ -571.5 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (ช); ∆H=-483.7 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (ล.); ∆H=-571.7 kJ
พลังงานภายในคืออะไร
ความร้อนกับงานเป็นสองวิธีในการถ่ายเทพลังงานในกระบวนการทางกล พลังงานอาจถูกถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง แต่ปริมาณพลังงานทั้งหมดจะถูกอนุรักษ์ไว้ ในการเปลี่ยนรูปทางเคมี ใช้หลักการเดียวกันนี้ พิจารณาปฏิกิริยาเช่นการเผาไหม้ของก๊าซมีเทน
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H 2O
ถ้าปฏิกิริยาเกิดขึ้นในภาชนะที่ปิดสนิท สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือความร้อนจะถูกปลดปล่อยออกมา เราสามารถใช้เอนไซม์ที่ปล่อยออกมานี้ทำงานเกี่ยวกับกลไก เช่น กังหันหรือเครื่องยนต์ไอน้ำ เป็นต้น มีวิธีมากมายนับไม่ถ้วนที่พลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาสามารถแบ่งออกระหว่างความร้อนกับงานได้ อย่างไรก็ตาม พบว่าผลรวมของความร้อนที่วิวัฒนาการและงานเชิงกลที่ทำนั้นมีค่าคงที่เสมอ สิ่งนี้นำไปสู่แนวคิดที่ว่าในการเปลี่ยนจากสารตั้งต้นไปเป็นผลิตภัณฑ์ มีคุณสมบัติบางอย่างที่เรียกว่าพลังงานภายใน (U) การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในแสดงเป็น ∆U
∆U=q + w; โดยที่ q คือความร้อน และ w คืองานที่ทำ
พลังงานภายในเรียกว่าฟังก์ชันของรัฐ เนื่องจากค่าของมันขึ้นอยู่กับสถานะของระบบ ไม่ใช่วิธีที่ระบบมาอยู่ในสถานะนั้น นั่นคือการเปลี่ยนแปลงใน U เมื่อเปลี่ยนจากสถานะเริ่มต้น "i" เป็นสถานะสุดท้าย "f" จะขึ้นอยู่กับค่าของ U ในสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายเท่านั้น
∆U=Uf – Ui
ตามกฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่แยกออกมาเป็นศูนย์ จักรวาลเป็นระบบที่โดดเดี่ยว ดังนั้น ∆U สำหรับจักรวาลจึงเป็นศูนย์
เอนทัลปีและพลังงานภายในต่างกันอย่างไร
• สามารถนำเสนอเอนทัลปีได้ในสมการต่อไปนี้ โดยที่ U คือพลังงานภายใน p คือความดัน และ V คือปริมาตรของระบบ
H=U + pV
• ดังนั้น พลังงานภายในจึงอยู่ในระยะเอนทาลปี เอนทาลปีได้รับเป็น
∆U=q + w