Enthalpy   엔탈피

(2023-07-04)

엔탈피 변화, Heat of Reaction, 반응 열


1. `엔탈피 (Enthalpy)  :  H `

  ㅇ 일정 압력 하의, 어떤 개방된 열역학적 계 내에, 포함되는 총 열 에너지

  ※ 통상, 일정 대기압 하의 열린 용기에서, 열 에너지(열량)의 변화(입출입)에 만 주목함
     - 즉, 역학적 관점을 가급적 배제하고, 오로지, 열 에너지에 만 집중케 함

  ※ 또한, 화학반응 관점에서, 화학결합 안에 내재된 (잠재된) 에너지로써, 
     - 분리 보다 결합되어있을 때, 에너지 측면에서, 얼마나 안정한가를 나타냄
        . 결국, 결합 엔탈피가 클수록 화학결합이 안정함을 보여줌


2. `엔탈피 변화  :  ΔH `

  ㅇ 엔탈피 변화 ΔH 
     - 일정 압력 하에, 주위 사이에 주고받는 열량 = 열 에너지 변화량

  ㅇ 굳이, 엔탈피 변화량을 따지는 이유 
     - 그 이유로는,
        . 역학적 관점의, PV 일(압력 부피 일 W = - PΔV)을 배제하고,
        . 열역학적 관점의, 에너지에 만 집중케 하기 위함

     - 이를위해, 다음과 같이 제한시킴
        . 압력이 일정할 때로 국한시킴
        . 처음과 최종 상태 만을 고려 함
        . 매 변화 마다 그 결과 만을 관심 갖음 (즉, 열역학적 과정)

     - 결국, 엔탈피 변화를 다음과 같이 정의함
        . 일정 압력 하에서, 흡수/방출한 열량(흡열/발열 열량)과 같아지도록 정의함


3. `엔탈피 H` 및 `엔탈피 변화 ΔH`의 정의에 가해지는 일 에너지(W),열 에너지(Q)는, 내부 에너지의 변화(ΔU)를 초래
     -   ΔU = W + Q

  ㅇ 이때, 일정 압력(P) 하에서 에 전달된 열량 Q는, 
     - 내부에너지에서 가 받은 일(W)을 빼면 됨
     -  즉, (Q = ΔU - W)

  ㅇ 여기서, 엔탈피 변화(ΔH)를, 계가 받은 열량(Q)으로써 정의하면, 다음과 같은 관계식이 얻어짐
     -   Q = ΔU - W = ΔU + P ΔV = Δ(U + P V) = ΔH
        . Q : 열량 
        . U : 내부 에너지, ΔU : 내부 에너지 변화
        . W :  열역학 (PV 일)
        . P : 외부 압력 (일정)
        . V : 부피, ΔV : 부피 변화
        . P V : 압력 부피 일 (압력부피의 곱으로 표현된  W = - P ΔV)
        . H : 엔탈피 = (U + P V)
                     = (U + P/ρ)
           .. P/ρ : 유동 에너지/유동 
              (유체를 움직이고, 유동 유지를 위해 필요한 단위 질량에너지)
        . U,P,V,H : 모두 상태함수 임
           .. (상태함수 : 중간 과정이 어떻든 상관없이, 처음과 최종 상태에 만 의존)

  ㅇ 엔탈피 단위  :  [J] 또는 [J/mol]
     - 에너지 단위와 같음


4. 엔탈피 변화의 의미

  ㅇ 엔탈피 변화(증감)의 의미는,
     - ΔH  :  엔탈피 변화 = ΔU + P ΔV = Δ(U + P V) = Q
        . 즉, 엔탈피 변화는, 일정 압력(P) 하에서 가 흡수/방출한 열량 Q와 같음

  ※ 유체의 경우에는, 엔탈피 변화량은, 
     - 유체내부 에너지(U)와 유동 에너지(PV)를 조합한 량
       
  ※ (화학에서 엔탈피 부호 규약)
     - 흡열 (endothermic) : ΔH > 0  ( 안으로 들어옴, 엔탈피 증가)
     - 발열 (exothermic)  : ΔH < 0  ( 밖으로 나감,   엔탈피 감소)

  ㅇ 결국, 엔탈피 변화는, 
     - 일정 압력 하에서, 
     - 을 흡수/방출하면서,
     - 부피 변화를 반영한,
     - 보정된 내부 에너지


5. 엔탈피의 특징

  ㅇ 보정된 내부 에너지 (부피 변화까지 고려)
     - 엔탈피 변화는, 화학반응에서, 
        . 일정 압력 하에 흡수 또는 방출된 열량에다가, 
        . 부피 변화(팽창 일)까지 반영한 보정된 내부 에너지열역학적 변수(열역학적 상태량) 중 하나로써, 
     - 물질의 양에 비례하는 종량적 상태량

  ㅇ 경로에 의존 않는 상태 함수 (즉, 점 함수 임)
     - 중간 과정이 어떻든 상관없이, 처음과 최종 상태에 만 의존

  ㅇ 다른 상태량들과의 함수 관계로 표현 가능
     - 엔트로피,압력,입자수의 함수 관계로 나타낼 수 있음

  ㅇ 측정 가능한 량
     - 열용량온도 변화를 곱하여 측정될 수 있는 량 (Q = C ΔT)

  ㅇ 열 에너지의 변동(화학적 변화 : 상 변화)을 나타내는, 열역학적 변수
     - 즉, 반응열 (Heat of Reaction) : (상변화 때의 엔탈피 변화량)
        . 용융열 : (녹을 때의 엔탈피 변화량)
        . 증발열 : (끓을 때의 엔탈피 변화량)


6. [화학반응]

  ※ ☞ 상 변화 참조
     - 순수물질에서 일어나는 물리적 변화에 필요한 엔탈피 변화량 
        . 例) 얼음이 녹을 때의 엔탈피 변화량 (용융열) : 6.02 KJ/mol
        . 例) 이 끓을 때의 엔탈피 변화량 (증발열) : 40.7 KJ/mol

  ※ ☞ 결합 엔탈피, 반응 엔탈피 참조
     - 화학결합을 분리/해리하는데 필요한 엔탈피 변화(에너지 변화)

열역학 1법칙
   1. 열역학 1법칙   2. 내부 에너지   3. 엔탈피   4. 열용량,비열  


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