Wat is enthalpie?

Thomas , 17 jaar
9 december 2015

Ik heb een vraag omtrent een paar begrippen uit de chemie namelijk 'enthalpie' en 'orde' vanuit de thermodynamica. Deze begrippen zijn weliswaar terug te vinden op het internet, maar hieruit komt geen eenduidig antwoord wat ze nu werkelijk betekenen. Bij deze vraag ik of iemand ze even zou willen toelichten.

Antwoord

Dag Thomas,

 

Tja ... het probleem met thermodynamica is dat de vraag-beantwoorder nooit precies weet wat de vraag-steller voor achtergrond heeft, en wat voor hem of haar evident is en wat niet. Thermodynamica is een wetenschap die vaak nogal ingaat tegen de "normale" manier waarop mensen dingen begrijpen, en dat zorgt vaak voor verwarring.

Kort uitgelegd - enthalpie is in essentie hetzelfde als energie, maar doet op een wat zorgvuldiger manier aan boekhouden. Energie kan voorkomen onder verschillende vormen, en als bij het toevoeren van energie aan een systeem enkel gekeken wordt naar de toename in één van de vormen, zoals warmte of arbeid, klopt de som niet altijd. Vermits dit soort zg. "behoudswetten" het fundament zijn van de thermodynamica en toelaten voorspellingen te doen over hoe systemen zich zullen gedragen, is het erg belangrijk om het behoud van energie terug te kunnen vinden in elk systeem dat wordt bestudeerd. Door zijn definitie, die rekening houdt met zowel de inwendige energie van het systeem, als met arbeid uitgeoefend op het systeem, voldoet enthalpie niet enkel aan de behoudswet van energie, maar is het eveneens een zogenaamde toestandsfunctie, die rechtstreeks kan uitgerekend of opgezocht worden als de basisparameters van het systeem (p, V, T - druk, volume, temperatuur) gekend zijn.  Enthalpie is gedefinieerd als "handige functie" in de thermodynamica omdat de inwendige energie van een systeem enkel correspondeert met de toegevoerde warmte Q als op of door het systeem geen arbeid wordt verricht, met andere woorden, als het volume van het systeem niet verandert. 

Als het volume echter wel verandert, correspondeert de toegevoerde warmte niet langer met de inwendige energie, omdat een deel ervan wordt gebruikt om arbeid te verrichten bij uitzetting van het gas. In het geval de druk constant blijft, correspondeert nu de toegevoegde warmte wel met de enthalpie. Zo maakt enthalpie het leven van mensen die processen uitvoeren bij constante druk makkelijker, maar lijkt het een onzinnig concept voor systemen die veranderingen ondergaan bij constant volume.

In formulevorm:

dU = dQ - pdV

dH = dU + pdV

Met deze twee formules is het makkelijk in te zien dat de uitgewisselde warmte Q gelijk is aan U als dV=0, en dat de uitgewisselde warmte Q gelijk is aan H als dat niet het geval is. Vermits zowel H als U toestandsfuncties zijn (lees - je kan ze voor een bepaalde toestand in p,V,T van een systeem altijd uitrekenen of opzoeken) heb je dus twee makkelijk parallelle manieren om uitgewisselde warmte te traceren voor systemen bij constant volume en bij constante druk. Je kan ook perfect de enthalpie uitrekenen voor een systeem dat een transformatie ondergaat bij constant volume, of de inwendige energie voor een systeem bij constante druk, maar dat maakt het in de praktijk (onnodig...) gecompliceerd.

Ik hoop dat dat alvast helpt met het begrijpen van waarom enthalpie bestaat. 

Wat "orde" in een systeem betreft, moeten we teruggrijpen naar de zogenaamde statistische thermodynamica en het begrip "realisatiemogelijkheden". Dat is een beetje een omweg om "orde" te definiëren, maar ik hoop dat je mee wil volgen ...

Een systeem dat een eindig aantal manieren heeft om zich te organiseren krijgt in essentie geen instructies over hoe het dat moet doen. Het kiest dus volstrekt willekeurig een van de mogelijkheden uit, en alle discrete mogelijkheden hebben een even grote waarschijnlijkheid om voor te komen. De clue is nu hoe wij mensen met deze realisatiemogelijkheden omgaan. Er zijn voor een systeem een aantal "speciale" realisatiemogelijkheden, die er voor ons mensen uitspringen als bijzonder en direct herkenbaar. Zeg bijvoorbeeld dat je zes dobbelstenen hebt, en daar een worp mee doet.  Een "gemiddelde" worp bestaat bijvoorbeeld uit een één, twee drieën, twee vijven en een zes. Daar lijkt op het eerste zicht niets bjzonders aan. De reden daarvoor is dat er zeer veel combinaties zijn van dobbelstenen die daar allemaal min of meer op lijken (maar eigenlijk toch verschillend zijn!). De volgende keer gooi je misschien een vijf, een drie, een één, een twee en twee zessen. Dat lijkt helemaal niet zo verschillend. Maar stel dat je plotseling zes zessen gooit. De kans daarop is op zich niet groter dan precies de twee worpen die in hoger beschreef te gooien, maar we herinneren het ons als zeer bijzonder, omdat er zeer veel andere combinaties van ogen zijn die allemaal lijken op de twee hoger genoemde (opnieuw, zonder daar precies identiek mee te zijn), en ze lijken dus helemaal niet bijzonder. Zes zessen, zo is er maar één combinatie - de realisatiemogelijkheid van deze worp is met andere woorden laag, terwijl de realisatiemogelijkheid van een worp die niet nauwkeuriger wordt omschreven als "met twee dezelfde stenen" daarentegen hoog is). Ook in de thermodynamica heb je van die "bijzondere" systemen met lage realisatiemogelijkheid. Die systemen noemen we geordend, en als je ze aan hun lot overlaat en de random beweging van moleculen zijn gang laat gaan, zullen ze steeds vanzelf evolueren naar een systeem met hogere realisatiemogelijkheid, en dus minder "orde". Die random evolutie levert ook een drijvende kracht in de thermodynamica  - er is met andere woorden energie voor nodig om systemen "op orde" te brengen. Je weet zelf ook wel dat het moiete kost om je kamer op te ruimen ...

Ik hoop dat dat een beetje helpt!

Met vriendelijke groeten,

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Beantwoord door

Prof. dr. Christophe Vande Velde

Thermische Analyse, Calorimetrie, X-straal-kristallografie, Organische Scheikunde

Universiteit Antwerpen
Prinsstraat 13 2000 Antwerpen
http://www.uantwerpen.be

Zoek andere vragen

© 2008-2024
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door EOS vzw