المحاضرة العاشرة / انثالبي الاحتراق القياسي – السادس الاعدادي

مفهوم الإنثالبي

الإنثالبي (Enthalpy) هو مفهوم أساسي في الديناميكا الحرارية (الثرموديناميكا)، ويُرمز له بالحرف $H$. وهو يعبر عن مجموع الطاقة الداخلية لنظام ما والطاقة الناتجة عن ضغطه وحجمه. أي:

$$H = U + PV$$

حيث:

• $H$: الإنثالبي،
• $U$: الطاقة الداخلية،
• $P$: الضغط،
• $V$: الحجم.

لكن الإنثالبي في حد ذاته لا يُقاس مباشرة، بل يُقاس التغير في الإنثالبي بين حالتين. وهذا ما يجعلنا نهتم بمصطلح مثل “إنثالبي التفاعل” أو “إنثالبي الاحتراق”.

ما هو إنثالبي الاحتراق؟

إنثالبي الاحتراق (Enthalpy of Combustion) هو كمية الحرارة الناتجة عندما يحترق مول واحد من المادة تمامًا في وجود كمية وافرة من الأكسجين، عند ضغط ثابت، ويعود الناتج إلى حالته القياسية.

وهنا يجب أن نوضح بعض الكلمات الأساسية:

• الاحتراق: هو تفاعل كيميائي بين مادة ما (عادة تحتوي على الكربون والهيدروجين) مع الأكسجين، وينتج عنه حرارة ومنتجات مثل ثاني أكسيد الكربون والماء.
• كمية وافرة من الأكسجين: أي أن الأكسجين ليس عاملًا محدودًا في التفاعل.
• مول واحد: تذكر أن القيم تُحسب دائمًا لكل مول من المادة المحترقة.
• الحالة القياسية: هي الحالة التي تكون فيها جميع المواد في حالتها الفيزيائية الأكثر استقرارًا عند درجة حرارة $25^\circ C$ وضغط 1 atm.

إنثالبي الاحتراق القياسي (Standard Enthalpy of Combustion)

يرمز له بالرمز:

$$\Delta H_c^\circ$$

وهو التغير في الإنثالبي عند احتراق مول واحد من المادة احتراقًا تامًا في الظروف القياسية (درجة حرارة $25^\circ C$، وضغط 1 atm).

وهذا يعني أن:

• المواد المتفاعلة والمنتجات يجب أن تكون في حالتها القياسية.
• إذا كانت المادة سائلة في حالتها القياسية، يجب أن تُحرق وهي سائلة.
• يُقاس التغير في الإنثالبي بوحدة: كج/مول أو كيلوجول لكل مول.

أمثلة على إنثالبي الاحتراق القياسي

1. احتراق الميثان ($CH_4$):

$$CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(l)$$ $$\Delta H_c^\circ = -890 \text{ kJ/mol}$$

هذا يعني أن احتراق مول واحد من الميثان يُنتج 890 كيلوجول من الطاقة (حرارة)، والإشارة السالبة تدل على أن التفاعل طارد للحرارة.

2. احتراق الإيثانول ($C_2H_5OH$):

$$C_2H_5OH(l) + 3O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g) + 3H_2O(l)$$ $$\Delta H_c^\circ = -1367 \text{ kJ/mol}$$

أهمية إنثالبي الاحتراق القياسي

1. قياس كفاءة الوقود: يمكن مقارنة أنواع الوقود المختلفة من حيث مقدار الطاقة الناتجة عن احتراقها.
2. حسابات الديناميكا الحرارية: تُستخدم في حساب التغير الكلي للطاقة في التفاعلات الكيميائية.
3. التصميم الصناعي: مفيد في تصميم المحركات والغلايات وأنظمة التدفئة.
4. المقارنة بين المركبات: مثل المقارنة بين طاقة احتراق الهيدروجين مقابل البنزين.

كيفية حساب إنثالبي الاحتراق القياسي

يمكن حسابه نظريًا باستخدام قانون هس (Hess’s Law)، الذي ينص على:

إذا تم تفاعل كيميائي على عدة خطوات، فإن التغير الكلي في الإنثالبي هو مجموع التغيرات في الإنثالبي في كل خطوة، بغض النظر عن الطريق الذي يتم به التفاعل.

ولذلك:

$$\Delta H_{reaction} = \sum \Delta H_f^\circ \text{ (للمواد الناتجة)} – \sum \Delta H_f^\circ \text{ (للمواد المتفاعلة)}$$

حيث:

• $\Delta H_f^\circ$: هو إنثالبي التكوين القياسي لكل مادة.

نقاط يجب الانتباه لها

• إنثالبي الاحتراق يُحسب دائمًا لكل مول من المادة المحترقة.
• يجب أن تكون كل المواد في حالتها القياسية.
• إنثالبي الاحتراق دائمًا سالب لأن الاحتراق تفاعل طارد للحرارة.
• في بعض الحالات، يكون الماء الناتج في الحالة الغازية وليس السائلة، وهذا يؤثر على القيمة النهائية.

الفرق بين إنثالبي الاحتراق وإنثالبي التكوين

• إنثالبي الاحتراق: حرارة ناتجة من احتراق مول واحد من المادة.
• إنثالبي التكوين: حرارة ناتجة أو ممتصة عند تكوين مول واحد من مركب من عناصره في حالتها القياسية.

تطبيقات عملية

1. محركات السيارات: تعتمد كفاءة الوقود على إنثالبي الاحتراق. البنزين والديزل يتم اختيارهما بناءً على كمية الطاقة المنتجة.
2. محطات الطاقة: تعتمد على احتراق الفحم أو الغاز الطبيعي، ويُحسب إنثالبي الاحتراق لتقدير الطاقة المنتجة.
3. الفضاء: في وقود الصواريخ، يُختار الوقود الذي له إنثالبي احتراق عالٍ لإنتاج أكبر طاقة ممكنة بأقل وزن.

خاتمة

إنثالبي الاحتراق القياسي هو مقياس مهم للطاقة الناتجة من التفاعلات الكيميائية، وخصوصًا الاحتراق. وهو أداة أساسية في الديناميكا الحرارية والهندسة الكيميائية والفيزياء الحرارية. فهم هذا المفهوم يُساعد على اتخاذ قرارات دقيقة في اختيار الوقود وتصميم العمليات الصناعية والطاقة.