🌡️ Термодинамика

Энтальпия

англ. Enthalpy

Функция состояния H = U + pV; при постоянном давлении её приращение равно подведённому теплу, поэтому энтальпия — валюта калорий и таблиц теплофизики.

Энтальпия — функция состояния, определённая как $H = U + p V$ : внутренняя энергия плюс произведение давления на объём. Зачем складывать именно эти величины? Чтобы убрать из бухгалтерии работу расширения. Первое начало в форме $δ Q = d U + p d V$ при постоянном давлении интегрируется без всяких оговорок: $Q_{p} = Δ H$ . Изобарный процесс — самый частый в жизни (реакции в открытой чашке, теплообменники, всё, что дышит атмосферой), поэтому теплофизики табулируют именно энтальпию, а не внутреннюю энергию: с ней уравнение теплового баланса пишется в одну строку.

Считается энтальпия через теплоёмкость: $Δ H = c_{p} m Δ T$ . Пример: нагрев $2$ кг воды от $20$ до $10 0^{\circ}$ C при атмосферном давлении: $Δ H = 4, 18 \cdot 1 0^{3} \cdot 2 \cdot 80 \approx 6, 7$ МДж — столько тепла забрал чайник, и всё это учтено одной функцией, включая энергию на ничтожное расширение воды. Газам интереснее: у идеального газа $H = U + p V = U + n R T$ , и энтальпия зависит только от температуры — отсюда и уравнение Майера для теплоёмкостей, см. уравнение Майера. Связь с внутренней энергией и баланс в циклах — в уроке первое начало термодинамики.

H = U + p V, Q_{p} = Δ H (p = const), Δ H = c_{p} m Δ T

при постоянном давлении подведённое тепло равно приращению энтальпии — этим и объясняется её место в таблицах и тепловых расчётах

Частые вопросы

Что физически означает слагаемое pV?

Это энергия «выталкивания»: работа, которую система уже совершила против внешнего давления, занимая свой объём, или которую пришлось бы совершить, чтобы освободить для неё место в среде. Когда газ расширяется при постоянном давлении, слагаемое растёт ровно на работу против среды, поэтому сумма $U + p V$ меняется ровно на подведённое тепло. Энтальпия — энергия системы вместе с её «местом под солнцем».

Когда энтальпией пользоваться нельзя?

Когда давление не постоянно. Изохорный процесс (жёсткий баллон) требует внутренней энергии: тепло там равно $Δ U$ . Изотермический газ при постоянной температуре вообще не меняет $H$ , хотя тепло получает и работу совершает — энтальпия тут молчит, а работа считается интегралом. Правило то же, что с другими потенциалами: сначала фиксируете, что в задаче постоянно, потом выбираете функцию. Перепутать — значит получить тепло там, где его нет.