Entalpia: definizione e formule principali

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L'entalpia è una grandezza termodinamica che quantifica l'energia totale di un sistema, unendo energia interna e lavoro di pressione e volume. Scopri le formule per calcolare la variazione di entalpia in reazioni chimiche e trasformazioni fisiche.

Concetti Chiave

  • L'entalpia rappresenta l'energia totale di un sistema, calcolata come somma dell'energia interna e del prodotto tra pressione e volume.
  • La variazione di entalpia durante una reazione chimica è fondamentale per determinare la spontaneità e il verso della reazione stessa.
  • In condizioni di pressione e temperatura costanti, la variazione di entalpia è uguale al calore scambiato a pressione costante, indicato come q_p.
  • Le reazioni chimiche possono essere classificate come endotermiche o esotermiche in base alla variazione di entalpia, con segni positivi o negativi.
  • Il segno della variazione di entalpia è positivo per i processi endotermici e negativo per quelli esotermici, riflettendo il flusso di calore nel sistema.

Questo appunto descrive le principali caratteristiche e formule legate all'entalpia, una funzione di stato che quantifica l'energia che un sistema può scambiare con l'ambiente circostante. Grazie alla variazione di entalpia legata a una reazione chimica, inoltre, è possibile definire delle caratteristiche di quest'ultima, come la spontaneità e il verso.

Entalpia: definizione e formule principali articolo

L'entalpia: definizioni principali e formula generale

L’entalpia (o contenuto termico) è la somma dell’energia interna e del prodotto tra pressione e volume del sistema
[math]H=U+PV[/math]
.
Come per l’energia interna, non è possibile misurarne un valore assoluto, ma solo una variazione di entalpia. Considerando una trasformazione avvenuta all'interno di un sistema chiuso, della quale si conosce il punto finale e il punto iniziale, la variazione di entalpia
[math]∆H[/math]
può essere espressa attraverso la formula
[math]∆H=∆U+∆PV[/math]
. Dal punto di vista matematico, l'entalpia è una funzione di stato: ciò significa che il suo valore non dipende dalla trasformazione effettuata, ma soltanto dalle condizioni del sistema nel punto finale e nel punto iniziale.
Essa è una proprietà estensiva, così come la massa, il peso e il volume: ciò significa che il suo valore dipende dalla quantità di materia presente nel sistema preso in esame.

Qual è il ruolo dell'entalpia in trasformazioni a pressione e temperatura costanti?

Come già anticipato, la formula per calcolare la variazione di entalpia in una generica trasformazione è la seguente:
[math]∆H=∆U+∆PV[/math]
Dal primo principio della termodinamica, possiamo riscrivere la variazione di energia interna
[math]∆U[/math]
, considerando positivo il lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente, come:
[math]∆U=Q-L[/math]
.
Se il processo si svolge a pressione e temperatura costanti (quindi
[math]Pi=Pf[/math]
), e con il solo lavoro pressione volume, la variazione di entalpia è:
[math]∆H=∆U+P∆V→∆H=q_p[/math]
, dove
[math]q_p[/math]
è chiamato calore a pressione costante.
L’entalpia misura quindi il contenuto termico, cioè l'energia scambiata a pressione costante. Conoscere questo valore è importante, poiché permette di analizzare a fondo la natura termica delle trasformazioni. E' possibile, ad esempio, calcolare la variazione di entalpia legata ad una reazione chimica per valutarne la spontaneità e il verso.

La variazione di entalpia legata a una reazione chimica

Quando si ha a che fare con una reazione chimica, si può calcolare la variazione di entalpia ad essa collegata attraverso la seguente formula:
[math]∆Htot=Hp-Hr[/math]
, dove
[math]Hp[/math]
è l'entalpia dei prodotti e
[math]Hr[/math]
l'entalpia dei reagenti.
Dopo aver calcolato questo valore è possibile definire se la reazione in esame sia endotermica o esotermica.
Una reazione si dice endotermica se avviene con assorbimento di calore dall'ambiente da parte del sistema ed esotermica quando, nel corso della stessa, il sistema cede il calore all'ambiente.Sono reazioni esotermiche tutte le reazioni di combustione, in quanto "rilasciano" calore. Al contrario, le reazioni di fotosintesi sono endotermiche in quanto avvengono solo ed esclusivamente in presenza di energia luminosa.

Entalpia: definizione e formule principali articolo

Il segno di

[math]∆H[/math]
, ossia della variazione di entalpia legata alla reazione, dipende dal valore di
[math]q_p[/math]
:
  • Nel caso di un processo endotermico, in cui il calore procede verso il corpo, il segno di
    [math] q_p[/math]
    è positivo (vi è un aumento di calore nel corpo), di conseguenza anche
    [math]∆H[/math]
    sarà positivo
  • In un processo esotermico, in cui il corpo cede calore all’ambiente circostante, il segno di
    [math]Q[/math]
    è negativo (diminuzione di calore nel corpo), di conseguenza anche
    [math]∆H[/math]
    sarà negativo
Si può quindi dedurre che la variazione di energia legata a un processo è uguale e di segno opposto alla variazione di entalpia del processo inverso.

[math]\begin{array}{lr}\hline
Direzione \hspace{0.2 cm} calore & Segno \hspace{0.5 cm}q_p & Segno \hspace{0.5 cm} ∆H \\
\hline
Processo \hspace{0.2 cm} endotermico & + & + \\
\hline
Processo \hspace{0.2 cm} esotermico & - & - \\
\end{array}[/math]

per ulteriori approfondimenti sull'entalpia e sul suo significato fisico vedi anche qua

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Domande da interrogazione

  1. Cos'è l'entalpia e come si calcola?

    2. L'entalpia è la somma dell'energia interna e del prodotto tra pressione e volume del sistema, espressa dalla formula \(H=U+PV\). La variazione di entalpia può essere calcolata con \(∆H=∆U+∆PV\) e rappresenta una funzione di stato, dipendente solo dalle condizioni iniziali e finali del sistema.

  2. Qual è il significato della variazione di entalpia in trasformazioni a pressione e temperatura costanti?

    3. In trasformazioni a pressione e temperatura costanti, la variazione di entalpia è uguale al calore scambiato a pressione costante, indicato come \(q_p\). Questo valore è cruciale per analizzare la natura termica delle trasformazioni.

  3. Come si determina se una reazione chimica è endotermica o esotermica?

    4. La variazione di entalpia di una reazione chimica si calcola con \(∆H_{tot}=H_p-H_r\). Se \(∆H\) è positivo, la reazione è endotermica (assorbe calore); se è negativo, è esotermica (cede calore).

  4. Qual è la relazione tra il segno di \(q_p\) e \(∆H\) in un processo chimico?

    5. In un processo endotermico, \(q_p\) è positivo e quindi anche \(∆H\) è positivo. In un processo esotermico, \(q_p\) è negativo e di conseguenza \(∆H\) è negativo, indicando la cessione di calore.

  5. Come si può interpretare la variazione di energia in relazione alla variazione di entalpia?

    6. La variazione di energia legata a un processo è uguale e di segno opposto alla variazione di entalpia del processo inverso, evidenziando la relazione tra energia e entalpia nei processi chimici.

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