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Enthalpie

Die Enthalpie <$H$> ist ein wichtiger Begriff der Thermodynamik. In seiner vollen Bedeutung ist es ein ziemlich abstrakter Begriff, der nur nach umfangreichen Überlegungen mit guten Kenntnissen der Thermodynamik verständlich ist. Jedoch kann in manchen Zusammenhängen die Enthalpie auf relativ anschauliche Weise einerseits für Substanzen angegeben werden und andererseits für Umwandlungsprozesse wie z. B. die Verbrennung eines Brennstoffs. Grundsätzlich geht es um den Gehalt bzw. die Freisetzung von Energie, wobei Effekte des Umgebungsluftdrucks oder der Verdampfung berücksichtigt werden.

Bildungsenthalpie einer Substanz

Die Bildungsenthalpie einer Substanz ist die Energiemenge, die benötigt wird, sie zu erzeugen, und zwar ausgehend von den einzelnen enthaltenen chemischen Elementen. Man spricht genauer von Standardbildungsenthalpie und setzt die Bildung unter Standardbedingungen voraus, was eine Temperatur von 25 °C und einen Umgebungsluftdruck von 101,3 kPa bedeutet.

Der Umgebungsdruck erhöht die Bildungsenthalpie einer Substanz mit großem Volumen (verglichen mit dem der Elemente), weil Energie aufgewendet werden muss, um gegen den Umgebungsdruck Platz zu schaffen für die Substanz, indem man die umgebende Luft wegdrückt. Dies drückt die Formel <$H = U + p V$> aus: Die Enthalpie ist die innere Energie <$U$> zuzüglich dem Produkt von Druck <$p$> und Volumen <$V$>; dieses Produkt gibt die Verschiebearbeit (oder Volumenarbeit) an.

Wenn bei der Bildung einer Substanz Energie frei wird, ist die Bildungsenthalpie negativ; die Substanz enthält weniger Energie als die einzelnen chemischen Elemente. Man müsste dann die entsprechende Energie aufwenden, um die Substanz wieder in ihre Elemente zu zerlegen. Beispielsweise beträgt die Standardbildungsenthalpie von Wasser −15,87 MJ/kg (Megajoule pro Kilogramm). In der Chemie werden Bildungsenthalpien häufig auch pro Mol der Substanz angegeben, z. B. in Einheiten von kJ/mol.

Reaktionsenthalpie

Für chemische Prozesse kann man eine Reaktionsenthalpie (auch Reaktionswärme) bestimmen. Diese gibt an, wie viel Energie aufgewandt werden muss (positiver Wert, endotherme Reaktion) bzw. wie viel Energie frei wird (negativer Wert, exotherme Reaktion), wenn die Reaktion abläuft.

Beispielsweise ergibt sich für Verbrennungsprozesse eine negative Reaktionsenthalpie, deren Betrag angibt, wie viel Wärme bei der Verbrennung frei wird; die Verbrennungsprodukte (z. B. Kohlendioxid und Wasserdampf) sind nämlich entsprechend energieärmer. (Die Enthalpie wird auch als Wärmeinhalt bezeichnet.) Wenn die Reaktionsprodukte (z. B. Abgase) ein größeres Volumen einnehmen als die Ausgangsstoffe (Brennstoff und Sauerstoff), wird der Betrag der Reaktionsenthalpie reduziert, weil ein Teil der freigesetzten Energie als Verschiebearbeit benötigt wird – also dafür, zusätzlichen Platz in der Atmosphäre zu schaffen. Bei der Standardverbrennungsenthalpie wird zudem vorausgesetzt, dass ggf. entstehendes Wasser in flüssiger Form anfällt; dies entspricht also betragsmäßig dem Brennwert und nicht dem Heizwert eines Brennstoffs.

Nach dem Satz von Hess ist die Reaktionsenthalpie die Differenz zwischen der Bildungsenthalpie der Produkte und der Ausgangsstoffe. Besonders viel Energie wird also freigesetzt (d. h. die Reaktionsenthalpie wird stark negativ), wenn die Produkte eine viel geringere Enthalpie enthalten als die Ausgangsstoffe.

Ein veralteter Begriff ist die Wärmetönung. Sie ist entgegengesetzt zur Reaktionsenthalpie: Eine exotherme (Energie freisetzende) Reaktion weist eine positive Wärmetönung auf.

Enthalpie bei physikalischen Prozessen

Die Enthalpie kann auch für rein physikalische Prozesse bestimmt werden wie beispielsweise für die Verdampfung von Wasser zu Wasserdampf. Der Energieaufwand hierfür setzt sich aus zwei Anteilen zusammen:

• Die Abtrennarbeit bezeichnet den Energieaufwand für die Trennung der einzelnen Moleküle. (Im flüssigen Zustand sind sich die Moleküle nahe und werden durch Anziehungskräfte aneinander gebunden, während sie im gasförmigen Zustand weit voneinander getrennt sind.)
• Zusätzlich muss Verschiebungsarbeit (Volumenarbeit) geleistet werden, um gegen den Außendruck zusätzlichen Platz zu schaffen. (Die verdampfte Substanz hat ein viel größeres Volumen als zuvor die Flüssigkeit.)

Ein Beispiel: Bei der Verdampfung von einem Kilogramm Wasser bei Normaldruck (1013 mbar) beträgt die Abtrennarbeit 2088 kJ und die Verschiebungsarbeit 169 kJ. Insgesamt ergibt sich eine Verdampfungsenthalpie von 2257 kJ. Diese Wärmemenge wird bei der Kondensation wieder frei (Kondensationsenthalpie).

Analog hierzu kann man für andere Prozesse die Schmelzenthalpie, Sublimationsenthalpie, Kristallisationsenthalpie, Lösungsenthalpie usw. bestimmen.

Wegen der Verdampfungsenthalpie hat ein Kubikmeter Luft bei gegebener Temperatur eine höhere Enthalpie, wenn die Luftfeuchtigkeit höher ist. Das Erhöhen der Luftfeuchtigkeit (z. B. mit einem Luftbefeuchter) erfordert ja die Zufuhr von Wärme, um Wasser zu verdampfen, oder bewirkt bei einer reinen Verdunstung eine Abkühlung der Luft.

Siehe auch: Energie, Wärme, Druck, Thermodynamik, Brennwert, Heizwert, exotherme Reaktion, endotherme Reaktion