Chapter 6: Thermochemistry

Back to chapter

6.1:

Основы энергетики

JoVE Core
Chemistry

This content is Free Access.

JoVE Core Chemistry

Energy Basics

Next Video
6.2: First Law of Thermodynamics

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

Почему металлический натрий реагирует с водой с образованием газообразного водорода, а хлорид натрия просто растворяется? Это можно объяснить, изучив взаимосвязь между химией и энергией, называемой термохимией”Все формы материи связаны с энергией, которая может измеряться как тепло или работа. Два основных типа энергии это потенциальная и кинетическая энергия.Потенциальная энергия описывает позиционные силы, действующие на объект. Камень на вершине холма имеет большую потенциальную энергию, чем камень внизу, потому что камень на вершине находится дальше от центра Земли. Кинетическая энергия это энергия движущегося объекта.Если камень столкнуть с холма, он теряет потенциальную энергию, но приобретает кинетическую энергию при движении. Это также относится к атомам или молекулам, из которых состоит объект. Объект в состоянии покоя все еще имеет кинетическую энергию, потому что составляющие его атомы могут колебаться.Эта форма кинетической энергии называется тепловой энергией. Объект имеет более высокую кинетическую энергию и, следовательно, более высокую тепловую энергию, когда атомы движутся более активно. Этот объект ощущается как горячий.Молекулы также обладают потенциальной энергией, называемой химической энергией, которая связана с относительным положением электронов и ядер. Во время реакции химическая энергия преобразуется в другие формы энергии, такие как свет, или энергия выделяется, например, в виде тепла. Количество преобразованной энергии зависит от молекулярной структуры исходных веществ.В газовой лампе ацетилен превращается в углекислый газ и воду, выделяя большое количество энергии в виде света. С другой стороны, добавление гидроксида натрия к соляной кислоте выделяет меньшее количество энергии в виде тепла. Для изучения изменения энергии можно разделить весь мир на систему”которая содержит наблюдаемый процесс, и окружение”то есть все остальное.Система может быть открытой, что означает возможность обмена энергией и веществом между системой и окружающей средой. Система может быть закрытой, где происходит обмен только энергией, также система может быть изолированной, где не происходит обмена ни веществом, ни энергией.

6.1:

Основы энергетики

Химические реакции, такие как реакции, возникающие при освещении с помощью зажжённой спички, включают в себя изменения в энергии и в материи.

Химические изменения и сопутствующие им изменения в энергии являются важными элементами повседневной жизни. Макронутриенты в пище подвергаются метаболическим реакциям, которые обеспечивают энергию для поддержания функционирования организма. Различные виды топлива (бензин, природный газ, уголь) сжигаются для производства энергии для транспортировки, отопления и выработки электроэнергии. Промышленные химические реакции используют огромное количество энергии для производства сырья (например, железа и алюминия). Затем энергия используется для производства этих сырьевых материалов в полезные продукты, такие как автомобили, небоскребы и мосты.

Более 90% энергии, используемой людьми, исходит от солнца. Каждый день солнце обеспечивает землю почти в 10,000 раз больше энергии, необходимой для удовлетворения всех мировых энергетических потребностей на этот день. Остается задача найти способы преобразования и хранения поступающей солнечной энергии, чтобы ее можно было использовать в реакциях или химических процессах, которые одновременно являются удобными и экологически незагрязняющими. Растения и многие бактерии захватывают солнечную энергию посредством фотосинтеза. Люди высвобогают энергию, хранящуюся на заводах, при сжигании древесины, угля, нефти или других продуктов завода, таких как этанол. Они также используют эту энергию для того, чтобы питать свои тела, едя еду, которая поступает непосредственно от растений.

Термохимия

Основные идеи важной области науки, в которой речь идет о количестве тепла, поглощенного или выделяемом в ходе химических и физических изменений, называются термохимическим веществом. Концепции широко используются почти во всех научно-технических областях. Ученые, занимающиеся наукой о пище, используют термохимию для определения энергетического содержания продуктов. Биологи изучают энергетику живых организмов, таких как метаболическое сжигание сахара в углекислый газ и воду. Нефтегазовая и транспортная отрасли, поставщики возобновляемой энергии и многие другие стремятся найти лучшие методы производства энергии для коммерческих и личных нужд. Инженеры стремятся повысить энергоэффективность, найти лучшие способы нагревания и охлаждения домов, охладить продукты питания и напитки, а также удовлетворить энергетические и охлаждающие потребности компьютеров и электроники, в том числе и в других областях применения. Понимание принципов термохимического анализа крайне важно для химиков, физиков, биологов, геологов, инженеров всех типов и практически для всех, кто изучает или занимается какой-либо наукой.

Энергии

Энергия может быть определена как мощность для подачи тепла или работы. Один из видов работы (w) – это процесс, в результате которого материю будет противостоять противоборствующим силам. Например, при накачивании велосипедной шины — вещество перемещается (воздух в насосе) против силы противодействия воздуха, уже поступающего в шину.

Как и материя, энергия имеет разные типы. Одна схема классифицирует энергию на два типа: Потенциальная энергия, энергия, которую объект имеет из-за его относительного положения, состава или состояния, и кинетическая энергия, энергия, которой обладает объект из-за его движения.

Вода в верхней части водопада или плотины имеет потенциальную энергию из-за своего положения; когда она течет вниз через генераторы, она обладает кинетической энергией, которая может быть использована для работы и производства электроэнергии на гидроэлектростанции. Аккумуляторная батарея имеет потенциальную энергию, поскольку химические вещества внутри нее могут производить электричество, которое может работать.

Этот текст был адаптирован из OpenStax Химия 2е изд., раздел 5.1: Основы энергетики.

“