1.6. Енергія і температура

Поняття енергії так само важко означити, як і поняття матерії. Енергія потрібна для виконання роботи або нагрівання того чи іншого об'єкта. Камінь на вершині гори має потенціальну енергію. У процесі падіння каменя до підніжжя гори потенціальна енергія перетворюється на кінетичну енергію його руху. Якщо камінь падає в озеро й сповільнює свій рух унаслідок тертя об воду під час опускання на дно, частина його кінетичної енергії перетворюється на теплоту, яка потім підвищує температуру каменя та води. Крім того, частина кінетичної енергії каменя передається воді, свідченням чого є хвилі, що розходяться колами від місця падіння каменя.

Інший важливий вид енергії — це випромінювання. Видиме світло, інфрачервоне випромінювання, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівські промені та радіохвилі — усе це види випромінювання. За своєю природою вони дуже близькі (див. підрозд. 3.10, 3.12).

Під час згоряння суміші пари бензину та повітря вивільняється енергія, та сама енергія, що може виконувати роботу з переміщення автомобіля; крім того, енергія, що вивільняється, спричиняє розігрівання мотора й зумовлює високу температуру вихлопних газів. Прийнято вважати, що ця енергія містилася в бензині й у повітрі у вигляді хімічної енергії.

Установлено, що при зникненні одного виду енергії виробляється еквівалентна кількість енергії інших видів. Цей принцип називають законом збереження енергії*.

Усі хімічні реакції супроводжуються або виділенням енергії, або її поглинанням. Зазвичай ця енергія має форму теплоти. Якщо при змішуванні яких-небудь речовин у посудині відбувається хімічна реакція з виділенням теплоти, то вміст посудини розігрівається. В іншому випадку, якщо між цими речовинами відбувається хімічна реакція з поглинанням теплоти, вміст посудини стає холоднішим. Ці факти можна описати, прийнявши, що кожна речовина має деяку ентальпію** і що загальна ентальпія продуктів реакції відрізняється від ентальпії взятих реагентів. Відповідно до закону збереження енергії теплота реакції дорівнює різниці ентальпій продуктів реакції та реагентів за стандартної температури. Так, суміш бензину й кисню має більшу сумарну ентальпію, ніж за тієї самої температури продукти їхньої взаємодії, якими є карбон(IV) оксид і вода. Як наслідок цього, при реакції виділяється певна кількість тепла, продукти реакції нагріваються й матеріали, що перебувають з ними в контакті, також нагріваються.

За певних умов хімічна енергія виділяється в процесі хімічної реакції не у вигляді теплоти, а в інших формах. Так, хімічна енергія, укладена у вибуховій речовині, може виконати роботу — роздробити кам'яну скелю на уламки. Хімічна енергія, укладена в речовинах, що використовуються для виготовлення електричної батареї, під час роботи батареї перетворюється на електричну енергію. Частина хімічної енергії палива під час його згоряння може перетворюватися на енергію випромінювання.

Якщо два об'єкти стикаються, то теплота може переходити від одного об'єкта до другого. Температура — це властивість, що визначає напрямок переходу теплоти: вона переходить від об'єкта, який має вищу температуру, до об'єкта з нижчою температурою.

Температуру зазвичай вимірюють за допомогою термометра, наприклад звичайного ртутного термометра, у якому деяка кількість ртуті міститься в скляному капілярі. У наукових дослідженнях користуються стоградусною температурною шкалою, або шкалою Цельсія; її було введено в 1742 р. шведським професором астрономії Андерсом Цельсієм. За цією шкалою температуру замерзання води прийнято за 0 °C, а температуру кипіння води за 100 °C.

За шкалою Фаренгейта, яку використовує в побуті населення англомовних країн, температуру замерзання води прийнято рівною 32 °F, а температуру кипіння води 212 °F. Різниця між температурою замерзання та температурою кипіння води становить за цією шкалою 180°, а не 100°***.

Рис. 1.4. Зіставлення температурних шкал Кельвіна, Цельсія та Фаренгейта. 

Співвідношення між стоградусною шкалою Цельсія та шкалою Фаренгейта показано на рис. 1.4. Для перерахунку температури, вираженої в градусах однієї шкали, на температуру за іншою необхідно пам'ятати, що градус за шкалою Фаренгейта дорівнює 100/180, або 5/9 градуса стоградусної шкали Цельсія, і що 0 °C відповідає 32 °F.  Можливо, зручніше користуватися методом, описаним у впр. 1.14.

Температуру в шкільному класі підтримують рівною 68 °F. Якою буде ця температура за стоградусною шкалою Цельсія?

Розв'язання. 68 °F на 36 °F вище за температуру замерзання води (68°—32°). Це число градусів Фаренгейта еквівалентне (5/9)Х36 = 20 °C. Оскільки температура замерзання води 0 °C, температура в класі буде 20 °C.

Близько 200 років тому вчені помітили, що при охолодженні певної кількості газу його об'єм закономірно зменшується, і припустили, що якщо при подальшому охолодженні цей об'єм зменшуватиметься з тією самою закономірністю, то стане рівним нулю приблизно при —273 °C. Розвиток цієї концепції показав, що температура —273 °C (точніше, —273,15 °C) є мінімальною температурою, абсолютним нулем. Дещо пізніше знаменитий британський фізик Кельвін (1824—1907) запропонував нову шкалу температур, що веде відлік від абсолютного нуля. Шкала Кельвіна дала змогу в простій формі виразити закони термодинаміки.

У системі СІ прийнято температурну шкалу Кельвіна, причому градусу дано нове означення. За абсолютний нуль прийнято О К, а потрійну точку води прийнято рівною 273,16 К. (Потрійна точка води — це температура, за якої чиста рідка вода, лід і водяна пара перебувають у рівновазі.) За такого означення градуса температура кипіння води за тиску в одну атмосферу відповідає 373,15 К, а температура замерзання води, насиченої повітрям за тиску в одну атмосферу, відповідає 273,15 К. Таким чином, ця прийнята в системі СІ температура за шкалою Кельвіна, рівна 273,15 К, вища від температури за стоградусною шкалою Цельсія. При вказуванні температури за шкалою Кельвіна знак градуса не пишеться.

За одиницю енергії та теплоти в системі СІ прийнято джоуль. У хімії як одиницю енергії широко використовували калорію, і в більшості термохімічних довідників дані наведено в калоріях або кілокалоріях (1000 кал). У системі СІ калорію прийнято рівною 4,184 Дж.

1 кал = 4,184 Дж,

1 ккал = 1000 кал=4,184 кДж.

Калорія (в межах зазвичай достатньої точності) дорівнює кількості теплоти (енергії), потрібній для підвищення температури 1 г рідкої води на 1 °C.

До посудини, що містить 100 г води за 18,0 °C з невеликою кількістю розчиненої в ній хлоридної кислоти, додано 100 г води (також за 18,0 °C), що містить невелику кількість їдкого натру (натрій гідроксиду). Температура змішаного розчину підвищилася до 24,5 °C. Знехтувавши тим, що вихідні речовини взято у вигляді розчину, а також втратами тепла на нагрівання посудини, розрахуйте, скільки теплоти (скільки джоулів) виділилося при даній реакції між хлоридною кислотою та їдким натром.

Розв'язання. Температура загальної кількості води (200 г) підвищилася на 24,5— 18,0=6,5 °C. Для цього потрібно 200X6,5=11300 кал. 1300 кал дорівнюють 1300 Х4,184 = 5440 Дж=5,44 кДж. Отже, внаслідок даної реакції виділилося 5,44 кДж теплової енергії.

* Цей закон є окремим випадком загальнішого закону збереження маси-енергії, який обговорюється в підрозд. 20.19 і 20.22.

** Замість терміна «ентальпія» раніше використовували термін «тепломіст»; див. підрозд. 6.12 і додаток VI.

*** Шкалу Фаренгейта запропонував Ґабріель Данієль Фаренгейт (1686—1736), натурфілософ, який народився в Данцигу й жив у Голландії. У 1714 р. він винайшов ртутний термометр; до цього як рідину в термометрах застосовували спирт. За нульову точку шкали Фаренгейт прийняв температуру, яку можна одержати, користуючись сумішшю рівних кількостей снігу та амоній хлориду. Точку кипіння води 212° він установив, прийнявши температуру власного тіла рівною 100 °F. Між тим нормальна температура людського тіла дорівнює 98,6 °F; можливо, що під час калібрування термометра у Фаренгейта була підвищена температура.