Понятие энергии столь же трудно определить, как и понятие материи. Энергия необходима для совершения работы или нагревания того или иного объекта. Камень на вершине горы обладает потенциальной энергией. В процессе падения камня к подножию горы потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию его движения. Если камень падает в озеро и замедляет свое движение в результате трения о воду при опускании на дно, часть его кинетической энергии преобразуется в теплоту, которая затем повышает температуру камня и воды. Кроме того, часть кинетической энергии камня передается воде, свидетельством чему являются волны, расходящиеся кругами от места падения камня.
Другой важный вид энергии — это излучение. Видимый свет, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и радиоволны — все это виды излучения. По своей природе они весьма близки (см. разд. 3.10, 3.12).
При сгорании смеси паров бензина и воздуха высвобождается энергия, та самая энергия, которая может производить работу по перемещению автомобиля; кроме того, высвобождаемая энергия вызывает разогревание мотора и обусловливает высокую температуру выхлопных газов. Принято считать, что эта энергия находилась в бензине и в воздухе в виде химической энергии.
Закон сохранения энергии
Установлено, что при исчезновении одного вида энергии производится эквивалентное количество энергии других видов. Этот принцип называют законом сохранения энергии*.
Все химические реакции сопровождаются либо выделением энергии, либо поглощением ее. Обычно эта энергия имеет форму теплоты. Если при смешивании каких-либо веществ, в сосуде происходит химическая реакция с выделением теплоты, то содержимое сосуда разогревается. В другом случае, если между этими веществами происходит химическая реакция с поглощением теплоты, содержимое сосуда становится более холодным. Эти факты можно описать, приняв, что каждое вещество имеет некоторую энтальпию** и что общая энтальпия продуктов реакции отличается от энтальпии взятых реагентов. В соответствии с законом сохранения энергии теплота реакции равна разности энтальпий продуктов реакции и реагентов при стандартной температуре. Так, смесь бензина и кислорода имеет большую суммарную энтальпию, чем при той же температуре продукты их взаимодействия, которыми являются двуокись углерода и вода. Как следствие этого, при реакции выделяется некоторое количество тепла, продукты реакции нагреваются и находящиеся с ними в контакте материалы также нагреваются.
При определенных условиях химическая, энергия выделяется в процессе химической реакции не в виде теплоты, а в иных формах. Так, химическая энергия, заключенная во взрывчатом веществе, может произвести работу — раздробить каменную скалу на осколки. Химическая энергия, заключенная в веществах, используемых при изготовлении электрической батареи, при работе батареи превращается в электрическую энергию. Часть химической энергии топлива при его сгорании может превращаться в энергию излучения.
Температура
Если два объекта соприкасаются, то теплота может переходить от одного объекта к другому. Температура — это свойство, определяющее направление перехода теплоты: она переходит от объекта, имеющего более высокую температуру, к объекту с более низкой температурой.
Температуру обычно измеряют при помощи термометра, например обычного ртутного термометра, в котором некоторое количество ртути заключено в стеклянный капилляр. В научных исследованиях пользуются стоградусной температурной шкалой, или шкалой Цельсия; она была введена в 1742 г. шведским профессором астрономии Андерсом Цельсиусом. По этой шкале точка замерзания воды принята за 0°С, а точка кипения воды за 100 °С.
По шкале Фаренгейта, используемой в быту населением англоязычных стран, точка замерзания воды принята равной 32°F, а точка кипения воды 212 °F. Разница между точкой замерзания и точкой кипения воды составляет по этой шкале 180°, а не 100°***.
Рис. 1.4. Сопоставление температурных шкал Кельвина, Цельсия и Фаренгейта.
Соотношение между стоградусной шкалой Цельсия и шкалой Фаренгейта показано на рис. 1.4. Для пересчета температуры, выраженной в градусах одной шкалы, в температуру по другой необходимо помнить, что градус по шкале Фаренгейта равен 100/180, или 5/9 градуса стоградусной шкалы Цельсия, и что 0°С соответствует 32°F. Возможно, удобнее пользоваться методом, описанным в упражнении 1.14.
Пример 1.3.
Температуру в школьном классе поддерживают равной 68 °F. Какая это будет температура по стоградусной шкале Цельсия?
Решение. 68 °F на 36 °F выше точки замерзания воды (68°—32°). Это число градусов Фаренгейта эквивалентно (5/9)Х36 = 20 °С. Поскольку точка замерзания воды 0°С, температура в классе будет 20 °С.
Температурная шкала Кельвина
Около 200 лет назад ученые заметили, что при охлаждении определенного количества газа его объем закономерно уменьшается, и предположили, что если при дальнейшем охлаждении этот объем будет уменьшаться с той же закономерностью, то станет равным нулю приблизительно при —273 °С. Развитие этой концепции показало, что температура —273 °С (точнее, —273,15°С) является минимальной температурой, абсолютным нулем. Несколько позже знаменитый британский физик Кельвин (1824—1907) предложил новую шкалу температур, ведущую отсчет от абсолютного нуля. Шкала Кельвина позволила в простой форме выразить законы термодинамики.
В системе СИ принята температурная шкала Кельвина, причем градусу дано новое определение. За абсолютный нуль принят О К, а тройная точка воды принята равной 273,16 К. (Тройная точка воды — это температура, при которой чистая жидкая вода, лед и водяные пары находятся в равновесии.) При таком определении градуса точка кипения воды при давлении в одну атмосферу соответствует 373,15 К, и точка замерзания воды, насыщенной воздухом при давлении в одну атмосферу, соответствует 273,15 К. Таким образом, эта принятая в системе СИ температура по шкале Кельвина, равная 273,15 К, выше температуры по стоградусной шкале Цельсия. При указании температуры по шкале Кельвина знак градуса не пишется.
Теплота
За единицу энергии и теплоты в системе СИ принят джоуль. В химии в качестве единицы энергии широко использовали калорию, и в большинстве термохимических справочников данные приведены в калориях или килокалориях (1000 кал). В системе СИ калория принята равной 4,184 Дж.
1 кал = 4,184 Дж,
1 ккал = 1000 кал=4,184 кДж.
Калория (в пределах обычно достаточной точности) равна количеству теплоты (энергии), необходимой для повышения температуры 1 г жидкой воды на 1 °С.
Пример 1.4.
В сосуд, содержащий 100 г воды при 18,0 °С с небольшим количеством растворенной в ней соляной кислоты, добавлено 100 г воды (также при 18,0 °С), содержащей небольшое количество гидроокиси натрия (гидроксид натрия). Температура смешанного раствора повысилась до 24,5 °С. Пренебрегая тем фактом, что исходные вещества взяты в виде раствора, а также потерями тепла на нагревание сосуда, рассчитайте, сколько теплоты (сколько джоулей) выделилось при данной реакции между соляной кислотой и гидроокисью натрия.
Решение. Температура общего количества воды (200 г) повысилась на 24,5— 18,0=6,5 °С. Для этого требуется 200X6,5=11300 кал. 1300 кал равны 1300 Х4,184 = 5440 Дж=5,44 кДж. Следовательно, в результате данной реакции выделилось 5,44 кДж тепловой энергии.
* Этот закон является частным случаем более общего закона сохранения массы-энергии, который обсуждается в разд. 20.19 и 20.22.
** Вместо термина «энтальпия» ранее использовали термин — «теплосодержание»; см. разд. 6.12 и приложение VI.
*** Шкала Фаренгейта была предложена Габриэлем Даниэлем Фаренгейтом (1686—1736), натурфилософом, родившимся в Данциге и жившим в Голландии. В 1714 г. он изобрел ртутный термометр; до этого в качестве жидкости в термометрах применяли спирт. За нулевую точку шкалы Фаренгейт принял температуру, которую можно получить, пользуясь смесью равных количеств снега и хлорида аммония. Точку кипения воды 212° он установил, приняв температуру собственного тела равной 100 °F. Между тем нормальная температура человеческого тела равна 98,6°F; возможно, что во время калибровки термометра у Фаренгейта была повышенная температура.