¿En qué contexto la entalpía es un concepto conveniente?

Además de lo que @Bob D y otros dijeron sobre el uso de la entalpía (principalmente) para realizar balances de energía en sistemas de flujo continuo, la entalpía también es importante para cuantificar la dependencia de la temperatura de la constante de equilibrio para reacciones químicas (a través de la van't ecuación de Hopf) y la dependencia de la temperatura del equilibrio vapor-líquido de sistemas químicos de uno y varios componentes. Y, por supuesto, tales constantes de equilibrio son importantes en el diseño y operación de equipos de destilación y reactores químicos.

Entonces, si alguna vez va a trabajar con sistemas de flujo continuo a escala industrial, trabajará con entalpía en lugar de energía interna. Y, si alguna vez va a comprender el equilibrio de fase y el equilibrio químico, es mejor que tenga más que un conocimiento superficial de la entalpía.

Principalmente encuentro entalpía en discusiones sobre cambios de fase al aire libre, como congelación y ebullición.

Tomemos el ejemplo de hervir una olla de agua. Hay algún cambio en la energía interna asociado con el cambio de la fase líquida a la sólida. Sin embargo, el cambio de fase también incluye un cambio dramático en la densidad del agua, de$\rho_\text{liquid} \approx 1000\rm\,kg/m^3$a$\rho_\text{vapor} \approx 1\rm\,kg/m^3$. Por lo tanto, para hervir un kilogramo de agua a la presión ordinaria se requiere empujar casi un metro cúbico de aire, lo que requiere trabajo.

$$P\Delta V = 100\,\mathrm{kPa} \cdot 1\rm\,m^3 = 100\,kJ$$

Este es un sustancial ($\sim5\%$) corrección del calor de vaporización del agua (alrededor de 2200 kJ/kg), y está presente en todos los experimentos con agua hirviendo que no tienen lugar dentro de algún tipo de recipiente de volumen constante.

Creo que ya sabes esto, y que el núcleo de tu pregunta es

Pero, ¿por qué alguien se preocuparía por qué cantidad es igual a$Q$bajo ciertas condiciones en lugar de simplemente informar$Q$?

La respuesta aquí es que, si informa el calor requerido para impulsar alguna transición de fase bajo ciertas condiciones, también debe indicar cuáles son esas condiciones. Informar la entalpía a una temperatura y presión dadas es una forma muy eficiente de afirmar que ha hervido el agua (o lo que sea) a presión constante, como hace la mayoría de la gente, en lugar de haber hecho algo más elaborado para medir solo la energía interna.

La respuesta rápida es: procesos de flujo . por ejemplo, fluido que fluye hacia una planta química; gas corriendo a través de una turbina; sustancias químicas que reaccionan a presión constante. La ecuacion$dU = T dS - p dV$Nos da

$$dH = T dS + V dp$$ que puede considerar como una 'ley fundamental' (equivalente a la familiar para$dU$). Una aplicación importante es el Joule-Kelvin o proceso de regulación, donde$H$es constante Esto, a su vez, conduce a la ecuación de Bernoulli para el flujo laminar en ausencia de transporte de calor. En química se obtiene la ecuación de van't Hoff.

La entalpía es un concepto particularmente conveniente cuando se analizan componentes, como turbinas, compresores, bombas, condensadores, evaporadores y válvulas de expansión, en procesos abiertos de flujo constante. Aquí hay algunos ejemplos para el caso de un ciclo de potencia de Rankine ideal donde el$h$es entalpía:

Turbinas adiabáticas reversibles: $\dot W_{out} =\dot m(h_{in}-h_{out})$

Condensadores reversibles de presión constante (extracción de calor): $\dot Q_{out}=\dot m(h_{in}-h_{out})$

Compresores adiabáticos reversibles, bombas: $\dot W_{in}=\dot m(h_{in}-h_{out})$

Reversible, presión constante, expansión (adición de calor de caldera): $\dot Q_{in}=\dot m(h_{out}-h_{in})$

Espero que esto ayude