יסודות האנרגיה

מדוע נתרן בצורתו המתכתית מגיב עם מים ויוצר גז מימן, בעוד שנתרן כלורי פשוט נמס? ניתן להסביר תופעה זו באמצעות בחינת הקשר בין כימיה לאנרגיה, הקרוי תרמוכימיה"כל צורות החומר קשורות באנרגיה, הניתנת למדידה בצורת חום או עבודה. שני סוגי האנרגיה המרכזיים הם אנרגיה פוטנציאלית וקינטית.

אנרגיה פוטנציאלית מתארת את הכוחות הקשורים בהפרשי מיקום הפועלים על עצם. לסלע בראש גבעה יש יותר אנרגיה פוטנציאלית מאשר לסלע הנמצא למרגלות הגבעה, משום שהוא רחוק יותר ממרכז המסה של כדור הארץ. אנרגיה קינטית היא האנרגיה של עצם נע.

אם סלע נדחף מראש גבעה, הוא מפסיד אנרגיה פוטנציאלית אך צובר אנרגיה קינטית בתנועתו. כך קורה גם לאטומים ולמולקולות המרכיבים את העצם. לעצם נייח עדיין יש אנרגיה קינטית משום שהאטומים מהם הוא עשוי יכולים לרטוט.

סוג כזה של אנרגיה קינטית נקרא אנרגיה תרמית. לעצם יש אנרגיה קינטית רבה יותר ובעקבות זאת גם אנרגיה תרמית רבה יותר כשהאטומים שלו זזים באופן נמרץ יותר. עצם זה נחשב כחם.

גם למולקולות יש אנרגיה פוטנציאלית הקרויה אנרגיה כימית, הקשורה במרחק היחסי של האלקטרונים מהגרעין. במהלך תגובה, אנרגיה כימית מומרת לצורות אחרות של אנרגיה, כמו אור, או פליטה אחרת של אנרגיה, כמו חום. כמות האנרגיה המועברת תלויה במבנה המולקולרי של המגיבים.

במנורת גז, אצטילן בוער והופך לפחמן דו חמצני ומים, ומשחרר כמות גדולה של אנרגיה כאור. לעומת זאת, אם נוסיף נתרן הידרוקסיד לחומצת מימן כלורי תשתחרר כמות קטנה יותר של אנרגיה כחום. כדי לחקור שינויי אנרגיה, יקל עלינו לחלק את היקום ל"מערכת"המכילה את התהליך הנצפה ול"סביבה"בה יש את כל השאר.

המערכת יכולה להיות פתוחה, במובן שגם אנרגיה וגם מסה יכולות לנוע בין המערכת והסביבה. והיא יכולה להיות סגורה, כך שתהיה רק המרת אנרגיה בינה לבין הסביבה. המערכת עשויה גם להיות מבודדת, ובה גם חומר וגם אנרגיה לא מועברים.