كمونات دينامية حرارية
الطاقة الداخلية	${\displaystyle U(S,V)$
طاقة هلمهولتز الحرة	${\displaystyle A(T,V)=U-TS$
السخانة (الإنثالبية)	${\displaystyle H(S,P)=U+PV$
طاقة جيبس الحرة	${\displaystyle G(T,P)=U+PV-TS$
تحرير

في الديناميكا الحرارية والكيمياء الجزيئية، المحتوى الحراري أوالإنثالبية ^{(ملاحظة 1)} أوالسخانة (يرمز لها ب H) هي تعبير عن الكمون الدينامي الحراري للنظام. هي مقياس للطاقة الكلية لنظام ترموديناميكي. ومن ضمنها الطاقة الداخلية U التي هي الطاقة اللازمة لإنشاء نظام، بالإضافة إلى كمية الطاقة اللازمة لإفساح مكان (حجم) للنظام خلال الوسط المحيط، وتهيئة النظام للحصول على حجمه وضغطه. وحدة الإنثالبي هي وحدة الطاقة، أي جول.

لا يمكن قياس الإنثالبي الكلي H لنظام. ولكننا نستخدم التغير في الإنثالبي ΔH وهي كمية يمكن قياسها والاستفادة بها أكثر من تعيين قدرها المطلق. وقد اتفق على الآتي:

• تغير ΔH موجب الإشارة: فيكون تفاعل يمتص الحرارة.
• تغير ΔH سالب الإشارة: فيكون تفاعل طارد للحرارة.

ويعتبر التغير في الإنثالبي ΔH لنظام هوالشغل الغير ميكانيكي الذي نمد به النظام أوكمية الحرارة التي نعطيها للنظام.

وعند ثبات الضغط تكون ΔH مساوية للتغير في الطاقة الداخلية ΔU للنظام بالإضافة إلى كمية الشغل التي يؤديها النظام ويعطيها إلى الوسط المحيط وهذا يعني أنه خلال تفاعل كيميائيقد يكون التغير في الإنثالبي مساويا لكمية الحرارة التي ينشرها النظام (أوكمية الحرارة التي يمتصها النظام) في الوسط المحيط.

وحدة الإنثالبي H (وكانت H في الأصل مأخوذة من حدثة heat content بالإنجليزية) وحدتها هي جول. في الكيمياء وفي التقنية يلعب الإنثابي المولي دورا أساسيا ويرمز لها ${\displaystyle H_m}$${\displaystyle h}$

في التقنية تفيدنا حسابات تغير إنثالبية نظام حركة حرارية لفهم الشغل الذي يمكن الاستفادة منه من النظام (عند الاحتفاظ بالضغط ثابتا). {ذلك لأنه عند ثبات الضغط يتغير الحجم، وتغير حجم النظام معناه حتى النظام يؤدي شغلا ميكانيكيا ويعطيه إلى الوسط المحيط. كمية الشغل p. V، ووحدته الجول.

مصطلح إنتالبية enthalpy مشتق من اللاتينية ويتألف من سابقة en-، تعني "يضع في" وحدثة إغريقية -thalpein تعني "يسخن" كما يقترح أيضا أنها مشتقة من حدثة "enthalpos" (ἐνθάλπος).

تعريف

يتكون الإنثالبي لنظام من جزئين طاقة داخلية ${\displaystyle U}$${\displaystyle pV$ (الشغل هنا هوحاصل ضرب الضغط p في الحجم V):

${\displaystyle H=U+pV,$

وتتكون الطاقة الداخلية لنظام من طاقة حرارية - ناشئة عن حركة عشوائية للجزيئات من ضمنها طاقة حركة، وطاقة حركة دورانية وطاقة اهتزاز- بالإضافة إلى طاقة الروابط الكيميائية والكمون الكيميائي للذرات. كما تدخل فيها تآثر متبادل بين ثنائي أقطاب ناشئة عن المغناطيسية والشحنات الكهربية.

وتزداد الطاقة الداخلية لنظام بزيادة درجة الحرارة، ونسميها عند درجة الصفر المطلق طاقة درجة الصفر.

والشغل الناتج هنا هوالشغل الذي يتم ضد الضغط ${\displaystyle p$ ويعمل على إنتاج الحجم ${\displaystyle V$ الذي يشغله النظام (${\displaystyle \Delta V=V$).

بإجراء التفاضل على المعادلة أعلاه نحصل على:

${\displaystyle \mathrm {d H=\mathrm {d U+d(p\cdot V)$.

بذلك نكون قد حصلنا على التغير في الإنثالبي عند تغير الطاقة الداخلية وتغير الشغل (d(p. V المؤدى من النظام.

ونظرا لأن التغير في الطاقة الداخلية يعطيه القانون الأول للديناميكا الحرارية:

${\displaystyle \qquad \mathrm {d U=\delta Q-\delta W=TdS-pdV$

بالتالي:

${\displaystyle \mathrm {d U+d(p\cdot V)=T\cdot dS-p\cdot dV+p\cdot dV+V\cdot dp$.

وبالتالي نحصل على:

${\displaystyle \mathrm {d H=\mathrm {d U+d(p\cdot V)=T\cdot dS-p\cdot dV+p\cdot dV+V\cdot dp=T\cdot dS+V\cdot dp$.

أو:

${\displaystyle \mathrm {d H=T\cdot dS+V\cdot dp$.

ويجب التفرقة بين معامل التفاضل ${\displaystyle \mathrm {d$ "القائم" والمعامل ${\displaystyle d}$

S هي إنتروبية النظام الحركي الحراري.

ولفهم "الشغل " الناتج عن حاصل ضرب الضغط في الحجم p.Vخلال عملية للنظام عند ثبات الضغط نفترض المثال الآتي:

نفترض حتى غازا يغير حجمه (خلال تفاعل كيميائي مثلا) في أسطوانة وبها مكبس، حيث يدفع الضغط الكبس للحفاظ على ثبات الضغط p. فنستطيع حساب القوة الدافعة من مساحة سطح المكبس A طبقا للعلاقة p == F/A: حيث تبلغ القوة F = p.A. وطبقا للتعريفقد يكون الشغل المؤدى W = F.x, حيث x هي المسافة التي يتحركها المكبس في الأسطوانة. هذا معناه حتى W == p.A.x، وحاصل ضرب المساحة في المسافة A.x تعطينا حجم الغاز بعد التمدد : A.x = V.

بناءًا على ذلكقد يكون الشغل W = p.V

حيث p هوالضغط الثابت وV هوالحجم المتمدد. هذا يعني أنه خلال عمليةقد يكون فيها الضغط ثابتاقد يكون أي تغير للطاقة الداخلية يقدمها النظام في صورة شغل إلى الوسط المحيط لا تؤثر على قيمة الإنتالبي. فيمكن تعريف التغير في الإنتالبي:

(ΔH = ΔU + W = ΔU + Δ(pV

حيث ΔU هي مقدار الطاقة الحرارية المعطاة أثناء تمدد الغاز، ويكون W هي الططاقة المكتسبة من الشغل الذي قام بتحريك المكبس.

الإنثالبي القياسي لتكوين مركب

{منطقة رئيسية: انثالبي قياسي للتكوين

الإنثالبي القياسي لتكوين مركب كيميائي هوالطاقة اللازمة لتكوين 1 مول من مركب كيميائي من عناصره الأولية تحت الظروف القياسية (أي تحت الضغط العادي 101,3 كيلوبسكال ودرجة حرارة 25 °C (درجة مئوية))، وقد تتحرر تلك الطاقة وتظهر في هيئة حرارة في حالة تفاعل ناشر للحرارة وتكون إشارتها سالبة، أما إذا كان تفاعل يمتص الحرارة فتكون إشارة تغير الإنثالبي موجبة، وهذا معناه أننا لا بد وأن نمد النظام المتفاعل بحرارة من الخارج لكي يتم التفاعل فنحصل على الناتج الذي نريده.

وتقاس الإنثالبي القياسي لتكوين مركب بوحدة كيلوجول/مول ويرمز له ${\displaystyle \Delta H_{f ^{0$ (وتأتي f من حدثة formation الإنجليزية، كما تعني الدائرة فوقها حتى ظروف التكون تحت الظروف القياسية).

فإذا كانت سالبة الإشارة فهذا معناه حتى حرارة تتولد عن تكون المركب، أما إذا كانت إشارة تغير الإنثالبي موجبة فهوي يعني أنه لا بد من امداد النظام المتفاعل من الخارج بحرارة من أجل تكوين المركب المطلوب. وتعني إشارة سالبة كبيرة للإنثالبي القياسي للتكوين حتى المركب الناشئقد يكون مستقرا لا يتغير (حيث حتى تكوين المركب كان مصحوبا بنشر حرارة كبيرة فيكون لا بد لتسليط عليه حرارة كبيرة من الخارج لإعادة تفكيكه).

وقد اتفق على اعتبار الإنثالبي القياسي للعناصر الكيميائية في حالتها المستقرة مثل الهيدروجين H₂والهيليوم He والليثيوم Li... إلى غير ذلك طبقا للتعريف بأنه 0 كيلوجول/مول.

من أبرز تطبيقات الإنثالبي القياسي للتكوين هوأنه وسيلة لحساب حرارة التفاعل طبقا قانون هس الذي يقول حتى "إنثالبي التفاعل لتفاعل كيميائي تحت الظروف القياسية هوحاصل طرح الإنثالبي القياسي لتكوين النواتج من الإنثالبي القياسي للعناصر الداخلة في التفاعل".

ويصاغ ذلك القانون رياضيا كالآتي:

${\displaystyle \Delta H_{\mathrm {Reaction ^{0 =\sum \Delta H_{f,\mathrm {Produkts ^{0 -\sum \Delta H_{f,\mathrm {reactants ^{0$

نستنتج من ذلك حتى إنثالبي التكوين لمركب معين تحت الظروف القياسية يعتمد فقط على المركب نفسه وليس على الطريق الذي سلكه لتحضيره. وبذلك يعتبر إنثالبي التكوين دالة حالة لنظام ترموديناميكي. وتنتسب جميع القيم في المعادلة إلى حالة توازن ترموديناميكي لكي يتم بذلك ضمان ثبات درجة الحرارة.

يمكن تعيين الغنثالبي القياسي للتكوين بطريقة غير مباشرة عن طريق استخدام قانون هس من إنثالبي التفاعل للنواتج والمواد الداخلة في التفاعل (المعادلة أعلاه). وإذا لم تكن هناك نتائج عملية للتحضير فيمكن الاعتماد على حساب تقريبي للمواد، ونعهد في الكيمياء طريقة لذلك تسمى نظرية بنسون.

إنثالبي التفاعل

إنثالبي التفاعل هي الطاقة التي تتحرر من التفاعل أوالطاقة التي تمتصها المواد المتفاعلة لكي تتفاعل، حيث تتكون من جزيئات مادتين مركبات جديدة (نشأة روابط جديدة بين الذرات أوالجزيئات). وهي تعتمد على المواد الداخلة في التفاعل وطريقة الروابط الكيميائية في المركب الناتج. ولحساب إنثالبي التفاعل نقوم بحساب مجموع إنثالبي التكوين للمادة الناتجة ومجموع حساب إنثالبي التكوين للمواد الداخلة في التفاعل وطرحها من بعضها.

الفرق بينهما هو"إنثالبي التفاعل" أو"حرارة التفاعل ":

. 2Na (s)      +      Cl₂ (gas    ${\displaystyle \longrightarrow$    2 NaCl (s)

وطبقا لتعريف الإنثالبي القياسي للتكون للعناصر الأولية بلأنها تساوي صفر، فهي تساوي صفر لذرتي الصوديوم (الصلب) وتساوي صفرا لغاز الكلور. أما الإنتالبي القياسي للناتج كلوريد الصوديوم فهو-411 كيلوجول/مول، ونظرا لأننا نحصل في المعادلة على 2 مول من كلوريد الصوديوم عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، فيكون إنثالبي التفاعل:

Reaction enthalpy = 2*(-411) kJ/mol - 0 kJ/mol = - 822 kJ/mol NaCl

أي حتى هذا التفاعل هوتفاعل ناشر للحرارة عند درجة 25 درجة مئوية. ومقدار الحرارة المتولدة من التفاعل التي تنتشر من تكون 2 مول من كلوريد الصوديوم هي 822 كيلوجول، أي حتى 1 مول من كلوريد الصوديوم له إنثالبي قياسي للتكوين هو-411 كيلوجول / مول (الإشارة السالبة تعني حتى تفاعل التكوين هوتفاعل ناشر للحرارة).

في معادلة التفاعل تعني (s) اختصارا لحدثة solid حيث حتى كلا من الصوديوم وكلوريد الصوديوم صلب، أما الكلور في التفاعل فهوفي حالة غازية.

مثال آخر: إضافة البرومين إلى ألكين

إضافة البرومين إلى مركب ألكين: يمكن حساب إنثالبي التفاعل بواسطة الإنثالبي القياسي:

H₂C=CH₂       +       Br₂     ${\displaystyle \longrightarrow$     H₂BrC-CBrH₂

1) الإنثالبي القياسي للألكين: 52 كيلوجول/مول

2) الإنثالبي القياسي للبرومين: 0 كيلوجول/مول

3) الإنثالبي القياسي لبرومين الألكين: - 39 كيلوجول/مول،

باستخدام تلك القيم نحصل على إنثالبي التفاعل:

• إنثالبي التفاعل= (52- 39-) كيلوجول/مول = -91 كيلوجول/مول

• مع اعتبار جميع القيم تخص الحالة الغازية للمركبات والمواد عند 25 درجة مئوية.

قائمة إنثالبي أملاح غير عضوية (عند 25 درجة مئوية)

(طور المادة: g = غاز; l = سائل ; s = صلب ; aq = محلول مائي)

تطبيقات

في الديناميكا الحرارية يمكننا حساب الإنتروبي عن طريق تعيين ظروف تشكيل نظام في "الفراغ"، حيث الشغل الميكانيكي اللازم لتشكيل النظام هوحاصل ضرب الضغط في الحجم pV. هذا الشغل مضافا إليه الطاقة الداخلية U يشكلان الإنتروبي.

نمد النظام الترموديناميكي بطاقة داخلية U تعمل على إزاحة جزيئات الهواء المحيطة لتوسيع مكان (حجم) ينشأ فيه النظام الوليد مع اعتبار حتى الضغط p ثابتا. وتتكون الطاقة الداخلية لنظام غازي من حركة عشوائية للجزيئات من ضمنها طاقة حركة انتنطقية، وطاقة حركة دورانية وطاقة اهتزاز للروابط بين الذرات في الجزيئات، بالإضافة إلى طاقة الروابط الكيميائية نفسها والكمون الكيميائي للذرات. كما تدخل فيها تآثر متبادل بين ثنائي أقطاب ناشئة عن المغناطيسية والشحنات الكهربية. ومن ضمن الطاقة الداخلية طاقة التنشيط، وطاقة تفكيك الروابط بين الذرات. فالطاقة الداخلية هي مجمل تلك الخواص.

وعندما نقوم بحساب الإنثالبي عن طريق U + pV، ونجمع بين الطاقة الداخلية بالإضافة إلى الشغل اللازم pV لتوسيع مكان (حجم) لنشأة نظام ترموديناميكي. والتغير في الإنثالبي لنظام هوالحرارة الصادرة من النظام أوالحرارة التي يمتصها النظام من الخارج عند ثبات الضغط. وبالنسبة إلى نظام ترموديناميكي يشكل التغير في الإنثالبي أكبر طاقة يمكن استغلالها من عملية ترموديناميكيةقد يكون خلالها الضغط ثابتا.

والمقدار pV هوالشغل الازم لإزاحة الوسط المحيط بغرض تهيئة مكان يحتله النظام.

أنواع من الإنثالبي

• إنثالبي التبخر أوحرارة التبخر وهوالتغير في الحرارة الداخلية عند تحول سائل إلى الحالة الغازية، مثل تحول 1 مول من الماء إلى بخار تحت 1 ضغط جوي (لا يتغير إنثالبي التبخر كثيرا بتغير درجة الحرارة).
• انثالبي قياسي للتعادل وهوالتغير في الإنثالبي عند تعادل حمض وقاعدة وتكوين 1 مول من الماء تحت الظروف القياسية، الموصوفة أعلاه.
• الإنثالبي القياسي للتسامي وهوالإنثالبي اللازم لتسامي 1 مول من المادة تحت الظروف القياسية سالفة الذكر،
• انثالبي قياسي للذوبان وهوتغير الإنثالبي بتفكك الجزيئات المصاحب لذوبان مركب في سائل تحت ضغط ثابت والظروف القياسية الفهم أعلاه.
• الإنثالبي القياسي لإضافة هيدروجين: وهوتغير الإنثالبي الناشئ عن إضافة هيدروجين إلى مركب غير مشبع بالهيدروجين حتى يصبح مشبعا بالهيدروجين تحت الظروف القياسية سالفة الذكر.

هوامش

ملاحظة 1 إنثالبية هي تعريب حرفي لللقاء الإنجليزي Enthalpy

ملاحظات

انظر أيضا

• انثالبي قياسي للتكوين
• انثالبي التعادل الكيميائي
• نظرية بنسون
• إنتروبيا
• حرارة تفاعل
• تبلور
• قياس الحرارة Calorimetry
• مثمن
• قانون هس
• عملية ثابتة الحرارة Isenthalpic process
• قواعد بيانات ترموديناميكية للمواد النقية
• انثالبي التسامي
• انثالبي الذوبان