Noţiuni de termochimie, partea I

În prima lecție de chimie, în care am vorbit despre atom, am precizat că tot ceea ce ne înconjoară e chimie, adică e format din molecule, ioni, atom.

Și acest lucru e adevărat, aproape adevărat. Dacă întrebăm un profesor de fizică, acesta ne poate da exemple de lucruri care nu conțin atom.

Sunetul, căldura, razele laser sau curcubeul. Toate aceste lucruri există, le cunoaștim bine și cu toate astea puțini dintre noi s-au întrebat din ce sunt formate, dacă nu din atom.

Ei bine, sunetul, curcubeul și căldura, alături de toate celelalte lucruri care conțin atom, sunt de fapt toate energie.

Deci totul e energie. Capitolul acesta ne vom concentra asupra conservării energiei sistemelor chimice și vom studia efectele termice ale reacțiilor chimice.

Însă mai întâi este esențial să ne amintim câteva elemente de termodinamică. Pentru un studiu mai aprofundat pe această temă, găsiți la Materia Fizică patru capitole dedicate termodinamici.

Noi aici, în această lecție, vom începe cu un exemplu. Să luăm un obiect oarecare, cum ar fi o carte. Acest obiect conține foarte multă energie, mai multă decât v-ați putea închipui.

Ca să înțelegem mai bine, vom separa această energie în trei categorii. Avem masa, energia termică și energia chimică.

Să începem cu masa, la care sigur nu prea gândim că ar avea tare mult de a face cu energia. Până se aparea Einstein cu faimoasa lui formulă despre care știm de la fizică.

Energia și masa erau două lucruri diferite. Însă Einstein ne-a spus că energia și masa sunt același lucru, adică un obiect are o proprietate numită energie și o proprietate corespunzătoare numită masa.

Cele două proprietăți sunt echivalente în sensul că amândouă sunt prezente în aceeași proporție una față de cealaltă. Iar această echivalență între masa și energie e dependentă de viteza luminii.

Ca să nu intru în și mai multe detalii, o să revin la cartea noastră.

Să zicem numai că energia cărții este bine închisă în particulele din nucleul atomic și este extrem de greu de accesat.

Asta pentru că energia nucleară a celulozei nu e prea ușor de eliberată, lucru pentru care ar trebui să fie recunoscător deoarece, eliberată, energia nucleară a acestui obiect ar putea arunca în aer o clădină întreagă.

Această carte are și energie termică.

Da, chiar dacă atunci când atingem o carte nu ni se pare cald, bineînțeles cu o mică excepție.

Orice obiect care are o temperatură mai ridicată decât zero absolut are energie termică.

Chiar și obiecte foarte, foarte reci și chiar și apa înghețată la zero grade.

Vedem aici că temperatura de minus 273,15 grade Celsius, respectiv zero grade Kelvin, e considerată zero absolut.

În principiu, asta înseamnă că la orice temperatură, atomii și moleculele se mișcă imperceptibil și numai la temperatura de zero absolut nu s-ar mai mișca deloc.

Numai că e recomandat să nu atingem niciun fel de obiect la acea temperatură, asta dacă ținem la vegetele și mâinile noastre.

Eu, de exemplu, prefer ca toate vegetele să-mi fie în continuare atașate de mână.

De asemenea, cartea noastră are și energie chimică stocată în legăturile dintre atomi.

În toate legăturile dintre atomii care formează molecule de celuloză, celuloză care formează hârtia și hârtia care la rândul ei formează cartea.

Deci toate aceste legături chimice conține energie.

Aceste legături pot fi desfăcute eliberând astfel energia.

Desfacerea legăturilor chimice și eliberarea energiei ar avea loc dacă aș da foc cărții.

Ceea ce oricum nu voi face pentru că îmi plac cărțile tare mult și în plus zilele astea sunt și cam scumpe.

Dar asta nu e tot ce ne poate oferi un obiect precum o carte în ceea ce privește energia.

Cu siguranță v-ați mai întâlni cu termenul de energie potențială.

Energia potențială e energia stocată într-un obiect datorită poziției sale.

Energia chimică, electrică, energia elastică sau energia gravitațională sunt toate forme de energie potențială.

De exemplu, un obiect precum o carte are energie potențială gravitațională

care depinde de poziția sa verticală și de masa sa.

Această formă de energie e stocată drept rezultata la atracții gravitaționale a pământului faptă de carte.

Haideți să ne gândim că avem cartea pe un raft aproape de nivelul podelei.

Pentru a o ridica de pe raftul respectiv ca să o așezăm pe birou, trebuie să efectuăm lucru mecanic.

Iar pentru a efectua lucru mecanic avem nevoie de energie.

Această energie va fi furnizată de către energia chimică pe care noi o obținem din mâncare.

Energia pe care noi o punem la dispoziție pentru a ridica cartea de pe raft pe birou

e aceeași cu creșterea energiei potențiale gravitaționale a cărți.

Dar să nu înțelegem greșit.

Asta nu înseamnă că obiectul în cauză are potențial pentru a deveni energie.

Un obiect este acea energie.

Doar că energia e pur și simplu stocată acolo.

Dacă energia nu ar fi acolo și apoi deodată ar apărea când mișcăm noi un obiect,

ar însemna că noi creem energie.

Iar acest lucru nu e posibil.

Cu toții ar trebui să știm asta de la fizică.

Este primul principiu al termodinamicii care se mai numește și legea conservării energiei.

O lege a fizicii care ne zice că energia nu poate fi creată și nu poate fi distrusă.

Cantitatea de energie din univers este constantă.

Deci energia se conservă într-o formă sau alta.

Sau putem spune că se transformă.

Pe exemplu, energia potențială a cărții poate fi eliberată trântind-o jos de pe masă.

În timp ce cartea cade, energia ei potențială e convertită în energie cinetică.

Când cartea va atinge pudeaua, această energie cinetică se convertește în căldură și în sune datorită impactului.

Bineînțeles, când ne uităm la o carte, nu ne interesează tare mult aceste forme de energie.

Ci mai mult ne interesează conținutul care e mai greu de descris în limbajul chimiei și al fizicii.

Dar am reușit să vedem cât de multă energie este de fapt într-un simplu obiect cu care avem de-a face aproape zi de zi.

De toate acestea se ocupă termodinamica.

Termodinamica e o ramură a științei care studiază transformările energiei.

Deci studiază căldura, energia și capacitatea energiei de a efectua lucrul mecanic.

Și chiar dacă probabil ați mai discutat despre toate astea și la fizică,

o să definim și aici aceste trei noțiuni, căldura, energie și lucrul mecanic,

deoarece sunt extrem de importante și în înțelegerea sistemelor chimice.

Să începem cu energia.

Și sunt sigură că nu știți prea bine ce este energia.

Richard Feynman, un celebru fizician american care a primit premiul Nobel în 1965,

a spus că este important să înțelegem că astăzi, în fizică,

nu avem nicio cunoștință cu privire la ceea ce este energia.

Totuși, aici vom da o definiție foarte generală și anume,

energia este capacitatea unui sistem de a efectua lucrul mecanic la trecerea dintr-o stare în alta

sau de a produce căldură.

Să vedem și ce este lucrul mecanic.

Lucrul mecanic e dezvoltat atunci când o forță acționează asupra unui obiect,

făcând acel obiect să se miște.

Dacă nu se mișcă nici un obiect, atunci nu se efectuează lucrul mecanic.

Pentru reprezentarea lucrului mecanic vom folosi litera L.

Iar acum, căldura, un alt cuvânt pe care îl utilizăm foarte des,

fără să știm precis ce reprezintă.

Căldura, la fel ca și lucrul mecanic, este un transfer de energie.

Deci, căldura nu este ceva conținut de obiecte.

Așa cum un obiect nu poate avea lucrul mecanic, un obiect nu poate avea nici căldură.

Cu alte cuvinte, căldura și lucrul mecanic nu sunt proprietăți care se află pur și simplu în posesia obiectelor.

În loc să se transferă energie printr-o acțiune mecanică, cum e cazul lucrului mecanic,

căldura este un transfer de energie care are loc prin interacțiuni termice.

Interacțiuni termice precum radiația, conducția termică sau convecția.

Iar simbolul utilizat pentru energia termică este Q.

Așadar, acestea sunt cele două lucruri pe care energia le poate efectua.

Poate fi lucrul mecanic prin aplicarea unei forțe mișcând obiecte,

sau poate fi schimbată drept căldură.

Ambele procese reprezintă un transfer de energie între două sisteme.

Haideți să vedem acum ce se întâmplă când cantitatea de energie dintr-un sistem se schimbă.

Dacă vi s-a părut că tocmai ce-am contrazis primul principiu al termodinamicii,

care spune că avem o cantitate de energie constantă,

o să vă amintesc că acel principiu se referă la cantitatea de energie din univers.

Deci, cantitatea de energie din univers e constantă.

E o idee care poate părea cam abstractă, așa că termodinamica folosește niște delimitări.

Sistemul și mediul exterior sistemului.

Așadar, când vrem să studiem energia unui obiect,

avem posibilitatea de a împărți universul în două părți.

O parte este sistemul, obiectul studiului nostru,

și restul, tot ceea ce se află în afara sistemului care ne interesează, este mediul exterior.

Iar noi suntem cei care decidem care e sistemul și care e mediul exterior.

Mediul exterior este factorul care permite schimbarea cantității de energie din sistem.

Așadar, schimbarea vine din mediul exterior sau merge spre mediul exterior.

Și în continuare o să vorbim despre încă un fel de energie.

Fiecare sistem are o anume energie internă.

Această energie internă se referă la energia totală conținută în interiorul sistemului.

Reprezentăm această energie cu litera U.

Energia internă ține cont de pierderele și câștigurile de energie ale sistemului.

De aceea, în principal, ne interesează schimbările care au loc în ceea ce privește energia internă.

Acest lucru e reprezentat prin litera grecească delta.

În chimie și fizică, simbolul delta se referă la diferența dintre o stare și alta unui sistem.

Să luăm exemplul temperaturii.

Avem delta T, care înseamnă diferența dintre temperatura unui sistem în starea 1 și temperatura celuiași sistem în starea 2.

Ideea e că între starea 1 și 2 are loc un schimb de energie între sistem și mediul exterior.

Așadar, în termodinamică, cel mai mult ne interesează schimbările în energia internă.

Deci, delta U.

Și revenind acum la primul principiu al termodinamicii, care se referă la conservarea energiei,

avem ecuația care descrie matematic schimbarea în energia internă a unui sistem,

pentru că energia nu dispare, ci se transformă.

Deci, schimbarea în energia internă este egală cu cantitatea de căldură furnizată din mediul către sistem

minus cantitatea de lucru mecanic efectuată de către sistem asupra mediului.

Dacă, în anumite cazuri, lucrul mecanic este efectuat asupra sistemului, atunci el are semnul plus.

Așadar, vedem că, în funcție de sistemul pe care vrem să-l studiem și mediul în care se află, există două posibilități.

Delta U poate fi o valoare pozitivă, deci delta U mai mare decât 0.

Asta presupune fie că lucrul mecanic este efectuat asupra sistemului,

fie căldura este transferată către sistem.

De exemplu, când ridicăm o carte, delta U este o valoare pozitivă, deoarece noi efectuăm lucrul mecanic asupra sistemului.

Sistemul primește, deci, energie din mediul său exterior, care include mâinile noastre, după cum spuneam și mai devreme.

Delta U are o valoare negativă, deci delta U mai mic decât 0, atunci când lucrul mecanic este efectuat de către sistem,

sau atunci când căldura este transferată de la sistem către mediul exterior.

În acest caz, fie valoarea L, fie valoarea Q vor avea semnul minus.

Practic, dacă delta U va avea o valoare negativă, asta semnifică o pierdere de energie internă a sistemului către mediul exterior.

Sper că m-am exprimat destul de clar până acum și, doar ca să mă asigur că s-a înțeles bine,

voi sublinea niște idei și anume, un sistem conține numai energie internă.

Sistemul nu conține energie sub formă de căldură ori de lucrul mecanic.

Căldura și lucrul mecanic există numai în timpul unei schimbări în sistem.