エンタルピー とは
定圧で気体を温めると、入れた熱の一部は内部エネルギーを上げ、一部は膨張しながら仕事として出ていきます。この二つを一つの束に束ねた量がエンタルピー H = U + PV です。熱が二筋に分かれる場所を一字で受けます。
熱を入れると定圧なので気体が膨張し、入れた熱は内部エネルギーの上昇と膨張仕事に分かれます。熱が全部温度へ行くわけではありません。だから同じ温度だけ上げるとき、体積が固定された容器より、ピストンが押し出されて熱の一部が膨張仕事として出ていく定圧のほうが熱が多く要ります。
エンタルピーは内部エネルギーに PV を足したものです。体積を変えて棒が伸びるのを見ると、H = U + PV が一つの状態量として積もり、理想気体ならエンタルピーも温度だけの関数です。仕事や熱と違い、エンタルピーは今の状態だけで決まる状態量なので、どの経路を経てきても二つの状態のエンタルピー差はいつも同じです。
二つの場合を切り替えると分かれがはっきりします。定積では仕事が 0 なので入れた熱がそのまま内部エネルギーの変化であり、定圧では入れた熱がまるごとエンタルピー変化になり、定圧の熱がエンタルピー変化です。化学の本の反応熱がほとんどエンタルピーで書かれているのも、実験が大気に開いた定圧で起き、やり取りした熱がエンタルピー変化になるからです。
今度は開いた系です。流体を境界の中へ押し込むには圧力に逆らってそれだけの仕事をしねばならず、スライダーで押し込むとこの流れ仕事がまさに PV です。水道管で水を押し送るときもポンプが流体を吸い込むときも、入ってくる流体の一塊ごとに、前の圧力を押しのける分がいつも付いてきます。
なぜわざわざエンタルピーなのか。ボタンで比べると、閉じた系は内部エネルギーで足りますが、出入りする流れにはいつも PV の流れ仕事が付き、その分を内部エネルギーに先に合わせておいたエンタルピーが、ポンプやタービン、ボイラーのような流れ装置の自然な言葉です。次の回で理想気体へ移ります。冷蔵庫やジェットエンジンの性能を考えるときも、結局出入りする流体のエンタルピー差を読むのであり、その流体を最も単純に扱う出発点が次の回の理想気体です。