内部エネルギーとエンタルピー

化学の研究では、宇宙を2つの系と1つの環境に分けて考えています。どのような時でも、私たちが関心を持つのは、他の部分が回転するシステムである。エンタルピーと内部エネルギーは、熱力学の第一法則に関連する概念で、系とその周囲で起こる反応を記述するものである。

エンタルピーとは？

反応が起こるとき、熱を吸収したり放出したりすることがありますが、反応が一定の圧力で起こる場合、この熱は反応のエンタルピーとして知られています。分子のエンタルピーを測定することはできない。したがって、反応中のエンタルピーの変化を測定する。ある温度と圧力において、反応のエンタルピー変化（△H）は、生成物のエンタルピーから反応物のエンタルピーを差し引くことで得られます。値が負の場合、その反応は発熱性である。吸熱量の値がプラスであれば、熱を吸収していることになります。任意の反応物と生成物の組の間のエンタルピー変化は、それらの間の経路に依存しない。さらに、エンタルピーの変化は、反応物の相に依存する。例えば、酸素と水素が反応して水蒸気になると、エンタルピーは-483.7kjになり、同じ反応物が反応して液体になると、エンタルピーは-571.5kjに変化します。

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g); ∆H = -483.7 kJ

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l); ∆H = -571.7 kJ

内部エネルギーとは何ですか？

エネルギーの伝達には、「熱」と「仕事」があります。機械的なプロセスでは、エネルギーはある場所から別の場所に移動することができますが、全体のエネルギーは保存されます。化学変化においても、同様の原理が適用される。メタンの燃焼などの反応を考えてみましょう。

ch4+2 o2→co2+2 h2o

密閉された容器の中で反応が起きれば、熱が放出されるだけである。この放出された酵素を使って、タービンや蒸気機関を動かすなど、機械的な仕事をすることができるのです。反応によって生じたエネルギーを熱と仕事に分ける方法は無数にある。しかし、熱の発生と機械的な仕事の和は、常に一定であることがわかった。これは、反応物から生成物への内部エネルギー（U）と呼ばれる性質があるという考え方につながる。内部エネルギーの変化をΔUと表記する。

∆U = q + w; ここで q は熱、w は加えられた仕事

内部エネルギーの値は、システムがどのようにしてその状態になったかではなく、システムの状態に依存するため、状態関数と呼ばれます。つまり、初期状態「i」から「f」へのUの変化は、初期状態と最終状態でのUの値のみに依存することになる。

∆ΔU = Uf - Ui

熱力学の第一法則によれば、孤立した系の内部エネルギーの変化はゼロである。宇宙は孤立した系であり、したがって宇宙の∆Uはゼロである。