آنتالپی: کیلومتر شمار انرژی در فشار ثابت
آنتالپی چیست و چگونه آن را نشان میدهند؟
بیایید با یک مثال شروع کنیم. یک قابلمه آب روی اجاق گاز را تصور کنید. وقتی گاز را روشن میکنید، به آب انرژی گرمایی میدهید. این انرژی باعث میشود دمای آب بالا برود و نهایتاً بجوشد. حالا سؤال اینجاست: چقدر انرژی به آب دادهاید؟ دانشمندان برای پاسخ به چنین سؤالاتی، از مفهومی به نام آنتالپی (H)1 استفاده میکنند.
آنتالپی در واقع معیاری برای مقدار کل انرژی ذخیره شده در یک سیستم (مثلاً همان آب در قابلمه) است. اما نکته مهم این است که این مقدار انرژی در شرایط فشار ثابت اندازهگیری میشود. چرا فشار ثابت؟ چون بیشتر واکنشهای شیمیایی در هوای آزاد و تحت فشار تقریباً ثابت اتمسفر رخ میدهند. پس آنتالپی برای شرایط عملی زندگی بسیار مناسب است.
ما معمولاً نمیتوانیم مقدار مطلق آنتالپی یک ماده را اندازه بگیریم. در عوض، بیشتر به تغییرات آنتالپی ($\Delta H$) علاقهمندیم. $\Delta H$ نشان میدهد که در طول یک فرآیند (مانند یک واکنش شیمیایی یا تغییر حالت)، انرژی سیستم چقدر افزایش یا کاهش یافته است.
انواع تغییرات آنتالپی در واکنشهای شیمیایی
تغییرات آنتالپی در واکنشهای مختلف، میتواند مثبت یا منفی باشد که هر کدام نشاندهنده نوع خاصی از تبادل انرژی با محیط است. این تغییرات را میتوان در قالب جدول زیر دستهبندی کرد:
| نام تغییر آنتالپی | نماد | مفهوم و علامت | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| آنتالپی واکنش3 | $\Delta H_{rxn}$ | تغییر انرژی هنگام تبدیل واکنشدهندهها به محصولات. میتواند منفی (گرماده4) یا مثبت (گرماده5) باشد. | سوختن چوب: گرماده ($\Delta H ) |
| آنتالپی تشکیل6 | $\Delta H_f$ | تغییر انرژی هنگام تشکیل یک مول از یک ماده خالص از عناصر سازنده آن در پایدارترین حالتشان. | تشکیل آب از هیدروژن و اکسیژن: گرماده قوی |
| آنتالپی سوختن7 | $\Delta H_c$ | انرژی آزاد شده هنگام سوختن کامل یک مول از یک ماده در اکسیژن. | سوختن گاز متان در اجاق گاز خانگی |
| آنتالپی تبخیر8 | $\Delta H_{vap}$ | انرژی مورد نیاز برای تبخیر یک مول از مایع در نقطه جوشش. همیشه مثبت (گرماده) است. | تبخیر آب هنگام خشک شدن لباسها یا جوشیدن کتری |
برای مثال، در یک واکنش گرماده (مانند سوختن)، انرژی از سیستم به محیط بیرون آزاد میشود. در نتیجه آنتالپی سیستم کاهش مییابد و $\Delta H$ منفی میشود. برعکس، در یک واکنش گرماگیر (مانند پختن کیک که باید انرژی از اجاق بگیرد)، سیستم انرژی جذب میکند، پس آنتالپی آن افزایش یافته و $\Delta H$ مثبت است.
آنتالپی در عمل: از آشپزخانه تا باک خودرو
بیایید ببینیم این مفهوم چگونه در زندگی روزمره خود را نشان میدهد.
۱. پخت و پز: وقتی یک تخممرغ را میپزید، پروتئینهای آن دناتوره میشوند. این یک واکنش شیمیایی است که برای وقوع آن نیاز به گرما دارد (گرماگیر). به زبان آنتالپی: $\Delta H > 0$. این گرما از شعله اجاق گاز تأمین میشود.
۲. کیسههای گرمازا: در این کیسهها معمولاً یک واکنش شیمیایی گرماده رخ میدهد. با شکستن یک محفظه داخلی، مواد با هم مخلوط شده و واکنش میدهند. چون واکنش گرماده است ($\Delta H )، گرما آزاد میکند و کیسه گرم میشود.
۳. سوختن بنزین در موتور خودرو: بنزین ($C_8H_{18}$) با اکسیژن هوا میسوزد و تولید گازهای دیاکسید کربن و آب میکند. این یک واکنش سوختن بسیار گرماده است. آنتالپی منفی و بزرگی دارد که بخشی از این انرژی آزاد شده به کار مکانیکی (حرکت خودرو) تبدیل میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 آنتالپی (Enthalpy): کمیتی ترمودینامیکی که با نماد H نشان داده میشود و برابر است با مجموع انرژی درونی سیستم و حاصلضرب فشار در حجم آن. معیار انرژی کل در فشار ثابت.
2 انرژی درونی (Internal Energy): مجموع تمام انرژیهای ذرات تشکیلدهنده یک سیستم شامل انرژی جنبشی و پتانسیل آنها.
3 آنتالپی واکنش (Enthalpy of Reaction): تغییر آنتالپی هنگامی که مقادیر استوکیومتری واکنشدهندهها به محصولات تبدیل میشوند.
4 گرماده (Exothermic): واکنش یا فرآیندی که با آزاد شدن انرژی گرمایی به محیط همراه است. ΔH منفی.
5 گرماگیر (Endothermic): واکنش یا فرآیندی که با جذب انرژی گرمایی از محیط همراه است. ΔH مثبت.
6 آنتالپی تشکیل استاندارد (Standard Enthalpy of Formation): تغییر آنتالپی هنگامی که یک مول از یک ماده مرکب، از عناصر سازنده آن در حالت استانداردشان تشکیل میشود.
7 آنتالپی سوختن استاندارد (Standard Enthalpy of Combustion): تغییر آنتالپی هنگامی که یک مول از یک ماده به طور کامل در اکسیژن میسوزد.
8 آنتالپی تبخیر (Enthalpy of Vaporization): انرژی مورد نیاز برای تبخیر یک مول از مایع در نقطه جوش آن.
