Enthalpie
Lucas stelde deze vraag op 04 september 2025 om 10:41.Enthalpie blijft een van de dingen die ik nog niet helemaal begrijp. Wikipedia geeft een korte uitleg en op Youtube komen ze alleen met formules die voor mij een beetje te ingewikkeld worden. Aangezien ik meerdere vraagstukken in mijn hoofd heb waar enthalpie bij betrokken is, zou ik graag willen weten wat dit nu precies is. Voor wat ik begrijp is enthalpie: temperatuur x massa.
De formule p1 x V1 / T1 = p2 x V2 / T2 van de algemene gaswet is mij nog wel duidelijk.
Wanneer het volume 2x zo klein wordt dan wordt de absolute druk 2x zo hoog. Wanneer de absolute temperatuur (in kelvin) 2x zo klein wordt en het volume blijft gelijk dan wordt de druk 2x zo klein.
Stel, ik heb twee tanks. Tank A van 10L met samengeperste lucht van 10bar met een luchttemperatuur van 0 graden celcius. Tank B is ook 10L, ook 10bar, maar heeft een temperatuur van 100 graden celcius. Heeft de tank met 100 graden celcius nu meer enthalpie? Aan de ene kant denk ik van wel, want de druk is gelijk, maar de temperatuur is hoger. Aan de andere kant denk ik van niet omdat als de temperatuur hoger is, en de druk gelijk, er dus minder massa aan lucht in zit. En volgens mij was enthalpie: T x m.
Hoe zit dit nou precies?
Nu bijvoorbeeld een vraagstuk waar ik ook niet uit kom.
Als ik lees over de werking van een turbo op de uitlaat bij een verbrandingsmotor, dan hebben ze het er telkens over dat hoe heter de uitlaatgassen zijn, hoe efficiënter de turbo is. Hier komt enthalpie bij kijken, want hetere uitlaatgassen hebben een hogere enthalpie. En ik snap op zich wel dat er meer energie zit in een heter gas, maar wat ik niet snap is het volgende:
Als ik aan chatGPT vraag of het vermogen van de turbo alleen afhankelijk is van het drukverschil over de turbo zegt hij dat de temperatuur ook mee speelt. Dus ik vroeg stel de dynamische druk is 10 bar, maar in de ene situatie zijn de uitlaatgassen 200 graden celcius, en in de andere 400 graden celcius, dan zegt hij dat in het laatste geval de turbo meer vermogen kan leveren, omdat de gassen een hogere enthalpie heeft door de 400 graden celcius.
Maar, zit het niet zo: De verbrandingsmotor geeft een x massa aan lucht in een bepaalde tijd. Als de temperatuur van de gassen hoger is, moet de dynamische druk voor de turbine dus ook hoger zijn, volgens de algemene gaswet? Maar hij blijft er maar mee komen dat de gassen met de hogere temperatuur meer kunnen expanderen dus meer energie om kan zetten in bewegingsenergie. Hoe zit dit precies?
Reacties
En nog een vraag die met enthalpie te maken heeft.
Stel, ik heb een pomp. De pomp heeft een compressie van 10:1
Als ik de pomp indruk wordt de lucht van 20 graden celcius samengeperst en stijgt de temperatuur. Volgens ChatGPT circa 25bar en ongeveer 450 graden celcius als dit geheel adiabatisch gebeurd.
Nu gebruik ik de toegenomen temperatuur om in een denkbeeldige accu te stoppen met 100 procent rendement. Hierbij daalt de temperatuur tot de temperatuur die er in eerste instantie in ging. Als het goed is, is de druk nu in theorie gezakt naar 10 bar (want de compressie is 10:1).
Wanneer ik de 10 bar laat expanderen koelt de lucht af, deze lucht zou ik eventueel kunnen gebruiken in een gesloten cyclus om de lucht weer warmte op te laten nemen waardoor je een warmtepomp hebt.
Maar... mijn grote vraag: Stel het kostte mij 1kWh om de pomp in te drukken. Dan kan er toch nooit meer dan 1kWh aan warmte uit de lucht gehaald worden (Wet van behoud van energie). Dus het verschil in temperatuur wat ontstaat (450C - 20C = 430C), kan toch nooit meer zijn dan die 1kWh?
En: wanneer ik de lucht laat expanderen en het koelt af, kan die koelere lucht toch nooit meer dan 1kWh aan warmte opnemen?
M.a.w. kan ik meer warmte verpompen dan ik erin stop, zo ja hoe dan? Ontstaat er tijdens het comprimeren tóch meer energie dan die 1kWh die het mij kost om samen te persen?
"Voor wat ik begrijp is enthalpie: temperatuur x massa "
Dat is niet juist. Misschien soms, onder bepaalde omstandigheden voor een ideaal gas ofzo dat enthalpie evenredig is met temperatuur, maar dit is niet was enthalpie is in het algemeen.
Enthalpie is ook voor mij een wat abstract begrip, iets dat handig is voor berekeningen van energieverschillen van chemische reacties maar waar ik verder eigenlijk geen goede intuïties voor heb. Voor mij is het grondbegrip de interne energie. Voor een ideaal atomair gas is dat gelijk aan de kinetische energie, en daar kan ik me wel iets bij voorstellen.
Ik geloof niet dat ChatGPT hierover zoveel kan zeggen. Het is veel beter om een goed boek te lezen. Helaas zijn er in de termodynamica ook veel boeken die ik niet zou aanbevelen. Een boek dat ik kan aanraden is Thermodynamics Kept Simple - A Molecular Approach: What is the Driving Force in the World of Molecules? door Roland Kjellander. Maar daarin staan geen vraagstukken, en het gaat ook niet over motoren etc. Het is vooral bedoeld voor chemici.
Enthalpie (Grieks "thalpos" = hitte) kwam voor mij bij thermodynamica ook wat "uit de lucht" vallen en waar ik me bij interne energie iets kon voorstellen, ontbrak dat volledig bij enthalpie. Tot ik volgende las (M.J. Sparnaay - Van spierkracht tot warmtedood, Voltaire 2002, isbn 90 5848 021 6).
Robert Mayer ontdekte dat er een verschil was in soortelijke warmte bij constant volume en bij constante druk (cp > cv). Bij constante druk verandert het volume en verricht het gas arbeid (positief of negatief). Bij constant volume wordt geen arbeid verricht. De druk in het gas nam weliswaar toe, maar de buitenwereld (i.c. de atmosfeer) merkt daar niets van. Het verschil tussen de soortelijke warmten moest overeenkomen met de verrichte mechanische arbeid.
Meestal begint men met de stelling
dU = dQ - p dV : verandering van interne energie is verandering van warmte plus de arbeid verricht op het systeem (- p dV want als dV kleiner wordt wordt arbeid verricht op het systeem, deze arbeid komt ten goede aan de interne energie. En omgekeerd: bij expansie verricht het gas arbeid en neemt de interne energie ervan af).
Dan komt H = U + pV Dat zegt niet zoveel, tot je naar de verandering van enthalpie bekijkt:
dH = dU + p dV + V dp = (dQ - p dV) + p dV + V dp = dQ + V dp : de verandering van enthalpie is de verandering van de warmte plus V dp. Maar als dp = 0 (zoals bij de meeste chemische processen bij vaste luchtdruk) dan wordt dH = dQ en dat kennen vooral de chemici: de verandering van enthalpie (energie bij vaste druk) is dan gelijk aan de verandering in warmte: dH = dQ = cp m ΔT
De smeltwarmte en verdampingswarmte zijn een enthalpie als deze bij vaste (lucht)druk plaatsvinden.
Dat wordt denk ik een boek erover lezen voor mij, het is me nog niet duidelijk.
Dus het is niet zo simpel als: Wanneer een ideaal gas bij gelijk volume warmer wordt gemaakt dan is zijn enthalpie hoger en daarmee de druk?
Dus stel ik heb twee turbines, het drukverschil over beide turbines is 2 bar. Bijvoorbeeld: 3 bar voor de turbine en atmosferisch na de turbine. Maar van de ene turbine is de temperatuur van het gas 400 graden C, en bij de andere turbine 100 graden C.
Ik zou zeggen, het drukverschil = gelijk, dus de turbine kan in beide gevallen hetzelfde vermogen opwekken. Of kan de turbine met het warmere gas op een of andere manier tóch meer vermogen opwekken omdat zijn enthalpie hoger is?
dH = dQ + V dp dU = dQ - p dV
Enthalpie H neemt toe als een hoeveelheid warmte dQ wordt toegevoerd. Het gas kan niet expanderen en de druk neemt toe (en temperatuur dQ=m cv dT ). De interne energie U neemt ook toe (met dQ)
Bij twee turbines (of vaten) met een andere temperatuur zal de koudste de minste warmte dQ toegevoerd hebben gekregen als de gasmassa m hetzelfde is (dQ ∝ dT). Maar dan zou de druk lager zijn. Voor gelijke druk moet er meer massa zijn (pV=nRT, p∝nT) en daardoor is daarvoor meer warmte nodig dQ=(m+dm)cv dT zodat de enthalpieverandering groter zal zijn dan zonder meer massa.
Ik denk dat het me al wat duidelijker is. Stel de motor van een auto met turbo is nog koud. Bij 5000rpm voert hij een x gram per seconde aan gas naar de turbo. Maar het uitlaatsysteem is koud en neemt dus veel warmte op, het gas wordt kouder. De enthalpie van het gas daalt de druk voor de turbo is relatief laag.
Na een tijdje warmt het uitlaatsysteem om, de gassen blijven warmer, de enthalpie is dus hoger, en de druk voor de turbo zal bij gelijke massa per seconde dus hoger moeten zijn?
Bij een koude motor zal het hete gas dQ aan warmte verliezen (afstaan) aan de omgeving en dus de enthalpie H afnemen. Als die verliezen afnemen omdat de omgeving is opgewarmd, blijft de enthalpie van het gas hoger (minder enthalpie afname), temperatuur hoger en daardoor de druk hoger (pV=nRT)
Als hulpmiddel (soort Venn diagram) heb ik ooit onderstaande tekening gemaakt waarbij U de allesomvattende energie is, waarvan H een deel is (zonder volume-druk arbeid). En zowel H als U een "nuttige" vrije energie kennen als de onvermijdelijke "verliezen" door wrijving worden afgetrokken van de U of H energie. De niet overlappende delen zijn niet andere onbenoemde grootheden (dus enthalpie H is alleen Gibbs vrije energie en TS wrijving/onbruikbare energie)
Uit voorgaande plaatje een bijna echt Venn diagram gemaakt. De parallelle lijnen liggen feitelijk over elkaar (maar dan zie je ze niet). Elke kleurrand omvat een thermodynamische grootheid die in dezelfde kleur is getypt.
De allesomvattende energie U is de zwarte buitenrand. Laat je daaruit de druk-volume arbeid weg (rood) dan blijft de paarse enthalpie H over. Verwijder je de TS energie dan blijft van U de Helmholtz vrije (groene F) en van H de Gibbs vrije energie (blauw) over.
