Entalpia: definizione, formula e applicazioni termodinamiche
- 10 ott 2021
- Tempo di lettura: 3 min
Aggiornamento: 9 mag
L'entalpia è una delle funzioni di stato più importanti della termodinamica: misura l'energia totale che un sistema può scambiare con l'ambiente esterno a pressione costante. In questo articolo trovi la definizione, la formula, il legame con il primo principio della termodinamica e le applicazioni nei processi isobari e isocori.
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Se invece ti trovi meglio a leggere ecco tutto ciò che devi sapere sull'Entalpia.
Cos'è l'entalpia?
L'entalpia è una funzione di stato della termodinamica, indicata con il simbolo H. Essere una funzione di stato significa che il suo valore dipende esclusivamente dallo stato attuale del sistema e non dal percorso seguito per raggiungerlo. L'entalpia è legata al concetto di energia che un determinato sistema riesce a scambiare con l'ambiente esterno e tiene conto sia dell'energia interna del sistema che del lavoro necessario per mantenerlo a una certa pressione e volume.
La formula dell'entalpia è:
dove le tre grandezze coinvolte sono coordinate termodinamiche:
U = energia interna del sistema
p = pressione
V = volume
La variazione di entalpia
Nella pratica sperimentale e teorica non si misura il valore assoluto dell'entalpia, ma la sua variazione ΔH tra due stati del sistema. Differenziando la formula H = U + p·V si ottiene:
Questo risultato è fondamentale perché collega direttamente la variazione di entalpia alle variazioni delle coordinate termodinamiche del sistema.
Entalpia del gas ideale
Nel caso specifico di un gas ideale la formula della variazione di entalpia si semplifica notevolmente. Poiché per un gas ideale il calore specifico a pressione costante cp è costante, la variazione di entalpia tra due stati A e B vale:
Essendo cp costante per il gas ideale, l'integrale si risolve immediatamente e si ottiene:
dove:
n = numero di moli del gas
cp = calore specifico molare a pressione costante
(TB - TA) = differenza di temperatura tra lo stato finale e quello iniziale
Entalpia e primo principio della termodinamica
Il legame tra entalpia e primo principio della termodinamica diventa evidente analizzando due trasformazioni fondamentali.
Trasformazione isobara
In una trasformazione isobara la pressione rimane costante. In questo caso il calore scambiato dal sistema è uguale alla variazione di entalpia:
Questo è il motivo per cui l'entalpia è particolarmente utile in chimica e in ingegneria: la maggior parte delle reazioni chimiche e dei processi industriali avvengono a pressione costante (pressione atmosferica), quindi misurare il calore scambiato equivale direttamente a misurare la variazione di entalpia.
Trasformazione isocora
In una trasformazione isocora il volume rimane costante. In questo caso il calore scambiato è uguale alla variazione di energia interna:
Il confronto tra i due casi chiarisce il ruolo distinto di entalpia ed energia interna: la prima è la grandezza naturale per i processi a pressione costante, la seconda per quelli a volume costante.
Entalpia positiva e negativa
Il segno della variazione di entalpia ΔH fornisce informazioni importanti sulla natura del processo:
Se ΔH > 0 il processo è endotermico: il sistema assorbe calore dall'ambiente esterno. Un esempio tipico è la fusione del ghiaccio, che richiede energia dall'esterno per avvenire.
Se ΔH < 0 il processo è esoter mico: il sistema cede calore all'ambiente esterno. Un esempio tipico è la combustione, che libera energia sotto forma di calore.
Esempio numerico
Consideriamo 2 moli di un gas ideale che subisce una trasformazione isobara da TA = 300 K a TB = 500 K. Il calore specifico molare a pressione costante è cp = 29,1 J/(mol·K) (valore tipico per gas biatomici come N₂ e O₂). La variazione di entalpia è:
Conclusione
L'entalpia è una funzione di stato che estende il concetto di energia interna includendo il contributo del lavoro di pressione-volume. La sua utilità pratica risiede nel fatto che per le trasformazioni isobare — le più comuni in natura e in laboratorio — la variazione di entalpia coincide esattamente con il calore scambiato. Questo la rende uno strumento indispensabile in termodinamica, chimica fisica e ingegneria dei processi.
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