O que é entalpia
Na termodinâmica, a entalpia é a medida de energia em um sistema termodinâmico. É a quantidade termodinâmica equivalente ao conteúdo total de calor de um sistema. A entalpia é definida como a soma da energia interna E mais o produto da pressão pe volume V. Em muitas análises termodinâmicas, a soma da energia interna U e o produto da pressão pe volume V aparece, portanto, é conveniente para dar à combinação um nome, entalpia e um símbolo distinto, H.
A entalpia é a expressão preferida das mudanças de energia do sistema em muitas medições químicas, biológicas e físicas a pressão constante . É tão útil que é tabulado nas tabelas de vapor, juntamente com volume específico e energia interna específica . Isso se deve ao fato de simplificar a descrição da transferência de energia . Em pressão constante, a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento (Q = H 2 – H 1 ) ou outro trabalho que não o trabalho de expansão. Para um processo de pressão variável, a diferença na entalpia não é tão óbvia.
Entalpia em unidades extensivas
H = U + pV
A entalpia é uma quantidade extensa, depende do tamanho do sistema ou da quantidade de substância que ele contém. A unidade SI de entalpia é o joule (J). É a energia contida no sistema, excluindo a energia cinética do movimento do sistema como um todo e a energia potencial do sistema como um todo devido a campos de força externos. É a quantidade termodinâmica equivalente ao conteúdo total de calor de um sistema.
Por outro lado, a energia pode ser armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. Esse armazenamento de energia no nível atômico inclui energia associada a estados orbitais de elétrons, rotação nuclear e forças de ligação no núcleo.
A entalpia é representada pelo símbolo H , e a alteração na entalpia em um processo é H 2 – H 1 .
Existem expressões em termos de variáveis mais familiares, como temperatura e pressão :
dH = C p dT + V (1-aT) dp
Onde C p é a capacidade calorífica a pressão constante e α é o coeficiente de expansão térmica (cúbico). Para o gás ideal αT = 1 e, portanto:
dH = C p dT
Exemplo: Pistão sem atrito – Calor – Entalpia
Um pistão sem atrito é usado para proporcionar uma pressão constante de 500 kPa num cilindro contendo vapor ( vapor sobreaquecido ) de um volume de 2 m 3 a 500 K . Calcule a temperatura final, se 3000 kJ de calor forem adicionados.
Solução:
Usando tabelas de vapor , sabemos que a entalpia específica desse vapor (500 kPa; 500 K) é de cerca de 2912 kJ / kg . Como nessa condição o vapor possui densidade de 2,2 kg / m 3 , sabemos que há cerca de 4,4 kg de vapor no pistão na entalpia de 2912 kJ / kg x 4,4 kg = 12812 kJ .
Quando usamos simplesmente Q = H 2 – H 1 , a entalpia resultante do vapor será:
H 2 = H 1 + Q = 15812 kJ
Nas tabelas de vapor , esse vapor superaquecido (15812 / 4,4 = 3593 kJ / kg) terá uma temperatura de 828 K (555 ° C) . Uma vez que nesta entalpia do vapor tem a densidade de 1,31 kg / m 3 , é óbvio que se expandiu em cerca de 2,2 / 1,31 = 1,67 (+ 67%). Portanto, o volume resultante é de 2 m 3 x 1,67 = 3,34 m 3 e ∆V = 3,34 m 3 – 2 m 3 = 1,34 m 3 .
A parte p∆V da entalpia, ou seja, o trabalho realizado é:
W = p∆V = 500 000 Pa x 1,34 m 3 = 670 kJ
Entalpia em unidades intensivas – Entalpia específica
A entalpia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa . Os engenheiros usam mais a entalpia específica na análise termodinâmica do que a própria entalpia. A entalpia específica (h) de uma substância é a sua entalpia por unidade de massa. É igual à entalpia total (H) dividida pela massa total (m).
h = H / m
Onde:
h = entalpia específica (J / kg)
H = entalpia (J)
m = massa (kg)
Observe que a entalpia é a quantidade termodinâmica equivalente ao conteúdo total de calor de um sistema. A entalpia específica é igual à energia interna específica do sistema mais o produto da pressão e volume específico .
h = u + pv
Em geral, a entalpia é uma propriedade de uma substância , como pressão, temperatura e volume, mas não pode ser medida diretamente. Normalmente, a entalpia de uma substância é dada com relação a algum valor de referência. Por exemplo, a entalpia específica da água ou vapor é dada usando a referência de que a entalpia específica da água é zero a 0,01 ° C e pressão atmosférica normal , em que h L = 0,00 kJ / kg . O fato de o valor absoluto da entalpia específica ser desconhecido não é um problema, no entanto, porque é a alteração na entalpia específica (∆h) e não o valor absoluto que é importante nos problemas práticos.
Entalpia em reações químicas
A entalpia é amplamente utilizada também na química. As reações químicas são determinadas pelas leis da termodinâmica . Na termodinâmica, a energia interna de um sistema é a energia contida no sistema, excluindo a energia cinética do movimento do sistema como um todo e a energia potencial do sistema como um todo devido a campos de força externos. A entalpia de uma reação química é definida como a alteração de entalpia observada em um constituinte de um sistema termodinâmico quando uma toupeira de substância reage completamente.
Como a maioria das reações químicas em laboratório são processos de pressão constante, podemos escrever a alteração na entalpia (também conhecida como entalpia de reação) para uma reação. A entalpia da reação pode ser positiva ou negativa ou zero, dependendo se o calor é ganho ou perdido ou se nenhum calor é perdido ou ganho. Em uma reação endotérmica , os produtos têm mais energia química armazenada do que os reagentes. Numa reação exotérmica , o oposto é verdadeiro. Os produtos possuem menos energia química armazenada que os reagentes. O excesso de energia é geralmente liberado para o ambiente quando a reação ocorre.
Nas reações químicas , a energia é armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. O armazenamento de energia no nível atômico inclui energia associada aos estados orbitais dos elétrons. Se uma reação química absorve ou libera energia, não há mudança geral na quantidade de energia durante a reação. Isso é devido à lei de conservação de energia , que afirma que:
A energia não pode ser criada ou destruída . A energia pode mudar de forma durante uma reação química .
Entalpia de vaporização
Em geral, quando um material muda de fase de sólido para líquido ou de líquido para gás, uma certa quantidade de energia está envolvida nessa mudança de fase. No caso de mudança de fase de líquido para gás, essa quantidade de energia é conhecida como entalpia de vaporização (símbolo ∆H vap ; unidade: J), também conhecida como calor (latente) de vaporização ou calor de evaporação. Calor latente é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma mudança de fase. Essa energia decompõe as forças atraentes intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir o gás (o trabalho pΔV) Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre. A entalpia da vaporização é uma função da pressão na qual essa transformação ocorre.
Calor latente de vaporização – água a 0,1 MPa (pressão atmosférica)
h lg = 2257 kJ / kg
Calor latente de vaporização – água a 3 MPa (pressão dentro de um gerador de vapor)
h lg = 1795 kJ / kg
Calor latente de vaporização – água a 16 MPa (pressão dentro de um pressurizador )
h lg = 931 kJ / kg
O calor da vaporização diminui com o aumento da pressão, enquanto o ponto de ebulição aumenta. Ele desaparece completamente em um determinado ponto chamado ponto crítico . Acima do ponto crítico, as fases líquida e de vapor são indistinguíveis, e a substância é chamada de fluido supercrítico .
O calor da vaporização é o calor necessário para vaporizar completamente uma unidade de líquido saturado (ou condensar uma unidade de massa de vapor saturado) e é igual a h lg = h g – h l .
O calor necessário para derreter (ou congelar) uma unidade de massa na substância a pressão constante é o calor da fusão e é igual a h sl = h l – h s , onde h s é a entalpia do sólido saturado e h l é a entalpia do líquido saturado.
Entalpia específica do vapor úmido
A entalpia específica da água líquida saturada (x = 0) e do vapor seco (x = 1) pode ser selecionada nas tabelas de vapor. No caso do vapor molhado , a entalpia real pode ser calculado com a qualidade de vapor, x , e as entalpias específicas de água no estado líquido saturado e vapor seco:
h molhado = h s x + (1 – x) h l
Onde
h úmido = entalpia do vapor úmido (J / kg)
h s = entalpia do vapor “seco” (J / kg)
h l = entalpia de água líquida saturada (J / kg)
Como pode ser visto, o vapor úmido sempre terá entalpia menor do que o vapor seco.
Exemplo:
Um estágio de alta pressão da turbina a vapor opera em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (ponto C). O vapor sai deste estágio da turbina a uma pressão de 1,15 MPa, 186 ° C ex = 0,87 (ponto D). Calcule a diferença de entalpia entre esses dois estados.
A entalpia para o estado C pode ser coletada diretamente das tabelas de vapor, enquanto a entalpia para o estado D deve ser calculada usando a qualidade do vapor:
h 1, molhado = 2785 kJ / kg
h 2, molhado = h 2, s x + (1 – x) h 2, l = 2782. 0,87 + (1 – 0,87). 790 = 2420 + 103 = 2523 kJ / kg
Δh = 262 kJ / kg
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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.
