אנטלפיה לעומת אנרגיה פנימית
למטרות הלימוד בכימיה, אנו מחלקים את היקום לשניים כמערכת ומסביב. בכל עת, החלק שמעניין אותנו הוא המערכת, והשאר מסביב. אנתלפיה ואנרגיה פנימית הם שני מושגים הקשורים לחוק הראשון של התרמודינמיקה, והם מתארים את התגובות המתרחשות במערכת ובסביבה.
מהי אנתלפיה?
כאשר מתרחשת תגובה, היא עשויה לספוג או לפתח חום, ואם התגובה מתבצעת בלחץ קבוע, חום זה נקרא האנטלפיה של התגובה. לא ניתן למדוד אנתלפיה של מולקולות.לכן, שינוי באנטלפיה במהלך תגובה נמדד. שינוי האנטלפיה (∆H) לתגובה בטמפרטורה ולחץ נתונים מתקבלים על ידי הפחתת האנטלפיה של מגיבים מהאנטלפיה של מוצרים. אם ערך זה שלילי, הרי שהתגובה היא אקסותרמית. אם הערך חיובי, אומרים שהתגובה היא אנדותרמית. השינוי באנתלפיה בין כל זוג מגיבים ומוצרים אינו תלוי בנתיב ביניהם. יתר על כן, שינוי האנתלפיה תלוי בשלב של המגיבים. לדוגמה, כאשר גזי החמצן והמימן מגיבים לייצור אדי מים, השינוי באנתלפיה הוא -483.7 קילו-ג'יי. עם זאת, כאשר אותם מגיבים מגיבים לייצור מים נוזליים, השינוי באנתלפיה הוא -571.5 קילו-ג'יי.
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (ז); ∆H=-483.7 kJ
2H2 (g) +O2 (g) → 2H2O (ל); ∆H=-571.7 kJ
מהי אנרגיה פנימית?
חום ועבודה הן שתי דרכים להעברת אנרגיה.בתהליכים מכניים, אנרגיה עשויה לעבור ממקום למקום, אך כמות האנרגיה הכוללת נשמרת. בטרנספורמציות כימיות חל עיקרון דומה. שקול תגובה כמו בעירה של מתאן.
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H 2O
אם התגובה מתרחשת במיכל אטום, כל מה שקורה הוא שהחום משתחרר. נוכל להשתמש באנזים המשוחרר הזה כדי לבצע עבודה מכנית כמו להפעיל טורבינה או מנוע קיטור וכו'. יש אינסוף דרכים שבהן ניתן לחלק את האנרגיה שנוצרת מהתגובה בין חום לעבודה. עם זאת, נמצא שסכום החום שהתפתח והעבודה המכנית שנעשית הוא תמיד קבוע. זה מוביל לרעיון שבמעבר ממגיבים למוצרים, יש תכונה כלשהי הנקראת, האנרגיה הפנימית (U). השינוי באנרגיה הפנימית מסומן כ-∆U.
∆U=q + w; כאשר q הוא החום ו-w הוא העבודה שבוצעה
האנרגיה הפנימית נקראת פונקציית מצב שכן ערכה תלוי במצב המערכת ולא כיצד נוצרה המערכת במצב זה. כלומר, השינוי ב-U, כאשר עוברים מהמצב ההתחלתי "i" למצב הסופי "f", תלוי רק בערכי U במצב ההתחלתי והסופי.
∆U=Uf – Ui
לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה, שינוי האנרגיה הפנימי של מערכת מבודדת הוא אפס. היקום הוא מערכת מבודדת; לכן, ∆U עבור היקום הוא אפס.
מה ההבדל בין אנתלפיה לאנרגיה פנימית?
• האנתלפיה יכולה להיות מוצגת במשוואה הבאה שבה U היא האנרגיה הפנימית, p הוא לחץ, ו-V הוא נפח המערכת.
H=U + pV
• לכן, אנרגיה פנימית נמצאת במונח האנטלפיה. האנתלפיה ניתנת כ-
∆U=q + w
