Εξώθερμη διεργασία

Οι εκρήξεις είναι μερικές από τις πιο βίαιες εξώθερμες αντιδράσεις.

Στη θερμοδυναμική, ο όρος εξώθερμη διεργασία περιγράφει μια διεργασία ή αντίδραση που απελευθερώνει ενέργεια από το σύστημα, συνήθως με τη μορφή θερμότητας, αλλά επίσης με τη μορφή φωτός (π.χ. σπίθα, φλόγα, ή αναλαμπή), ηλεκτρισμού (π.χ. μπαταρία), ή ήχου (π.χ. έκρηξη που ακούγεται κατά την καύση υδρογόνου). Παράγεται από τις ελληνικές λέξεις έξω και θερμικός. Ο όρος εξώθερμος πρωτοεπινοήθηκε από τον Μαρσελέν Μπερτελό (Marcellin Berthelot). Το αντίθετο μιας εξώθερμης διεργασίας είναι μια ενδόθερμη διεργασία, μια διεργασία που απορροφά ενέργεια με τη μορφή θερμότητας.

Η έννοια εφαρμόζεται συχνά στις θετικές επιστήμες στις χημικές αντιδράσεις, όπου η χημική ενέργεια δεσμούμετατρέπεται σε θερμική ενέργεια (θερμότητα).

Εξώθερμος (και ενδόθερμος) είναι όροι που χρησιμοποιούνται συνήθως για να περιγράψουν δύο τύπους χημικών αντιδράσεων ή συστημάτων που βρίσκονται στη φύση:

Μιλώντας απλά, μετά μια εξώθερμη αντίδραση, απελευθερώνεται περισσότερη ενέργεια στο περιβάλλον από όση απορροφήθηκε για να αρχικοποιήσει και να διατηρήσει την αντίδραση. Ένα παράδειγμα είναι η καύση ενός κεριού, όπου το άθροισμα της παραγόμενης ενέργειας από την καύση (που βρίσκεται λαμβάνοντας υπόψη την εκπεμπόμενη θερμότητα στο περιβάλλον και το παραγόμενο ορατό φως, συμπεριλαμβάνοντας την αύξηση στην θερμοκρασία του ίδιου του καυσίμου (κερί), η οποία μαζί με το οξυγόνο, έχει γίνει θερμό CO₂ και ατμοί νερού,) υπερβαίνει την ενέργεια που απορροφάται αρχικά στο άναμμα της φλόγας και στην συντήρηση της ίδιας της φλόγας. (δηλαδή ένα μέρος της παραγόμενης ενέργειας από την καύση επαναπορροφάται και χρησιμοποιείται στην τήξη, έπειτα στην εξάτμιση του κεριού, κλπ., αλλά υπερτερεί κατά πολύ από την παραγόμενη ενέργεια από το σπάσιμο των δεσμών άνθρακα-υδρογόνου και τον συνδυασμό του οξυγόνου με τον άνθρακα και το υδρογόνο που προκύπτει).

Στην ενδόθερμη αντίδραση, ή σύστημα, η ενέργεια λαμβάνεται από το περιβάλλον κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Παραδείγματος χάρη: σε πακέτο πάγου πρώτων βοηθειών, στο οποίο η αντίδραση των δύο χημικών, ή η διάλυση του ενός στο άλλο, απαιτεί ενέργεια από το περιβάλλον, καθώς η αντίδραση ψύχει το σακουλάκι και το περιβάλλον απορροφώντας θερμότητα από αυτά. Ένα ενδόθερμο σύστημα παρατηρείται στην παραγωγή του ξύλου: τα δένδρα απορροφούν την εκπεμπόμενη ενέργεια, από τον ήλιο και την χρησιμοποιούν σε ενδόθερμες αντιδράσεις όπως αυτές που διαλύουν CO₂ και H₂O, και συνδυάζουν τον δημιουργούμενο άνθρακα και το υδρογόνο για να παραγάγουν κυτταρίνη και άλλες οργανικές χημικές ενώσεις. Αυτά τα προϊόντα, με τη μορφή του ξύλου, μπορούν αργότερα να καούν σε ένα τζάκι, εξώθερμα, παράγοντας CO₂ και νερό, απελευθερώνοντας ενέργεια με τη μορφή θερμότητας και φωτός στο περιβάλλον τους, π.χ. στο εσωτερικό ενός σπιτιού και αέρια καπνοδόχου.

Επισκόπηση

Οι εξώθερμες διεργασίες αναφέρονται σε έναν μετασχηματισμό στον οποίον ένα σύστημα απελευθερώνει ενέργεια (θερμότητα) στο περιβάλλον:

Q < 0

Όταν ο μετασχηματισμός συμβαίνει σε σταθερή πίεση:

∆Η < 0

και σε σταθερό όγκο:

∆U < 0

Σε ένα αδιαβατικό σύστημα (π.χ. ένα σύστημα που δεν εκπέμπει θερμότητα στο περιβάλλον), μια εξώθερμη διεργασία καταλήγει σε αύξηση της θερμοκρασίας.

Στις χημικές αντιδράσεις, η θερμότητα που απορροφάται είναι στη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Η απώλεια της κινητικής ενέργειας μέσω της αντίδρασης των ηλεκτρονίων προκαλεί την απελευθέρωση φωτός. Αυτό το φως είναι ισοδύναμο, από πλευράς ενέργειας, με την ενέργεια σταθεροποίησης της χημικής αντίδρασης, δηλαδή της ενέργειας δεσμού. Αυτό το φως που εκλύεται, μπορεί να απορροφηθεί από άλλα μόρια στο διάλυμα, ώστε να αυξήσει τις μοριακές δονήσεις ή περιστροφές, που αυξάνουν την θερμότητα κατά την κλασική έννοια. Αντίθετα, όταν συμβαίνουν ενδόθερμες αντιδράσεις, η ενέργεια απορροφάται για να βάλει ένα ηλεκτρόνιο σε μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση, έτσι ώστε το ηλεκτρόνιο να μπορεί να συνδεθεί με ένα άλλο άτομο για να σχηματίσει ένα άλλο χημικό σύμπλοκο. Η απώλεια της ενέργειας μέσα στο διάλυμα απορροφάται από την ενδόθερμη αντίδραση και συνεπώς είναι απώλεια θερμότητας. Αυτή είναι η φυσική κατανόηση των εξώθερμων και ενδόθερμων αντιδράσεων σε ένα διάλυμα. Συνεπώς, σε μια εξώθερμη αντίδραση η απαιτούμενη ενέργεια για να λάβει χώρα η αντίδραση είναι μικρότερη από την συνολικά απελευθερούμενη ενέργεια.

Παραδείγματα

Μια εξώθερμη αντίδραση θερμίτη που χρησιμοποιεί οξείδιο του σιδήρου(III). Οι σπίθες που ξεπετιούνται προς τα έξω είναι από λιωμένο σίδηρο.

Μερικά παραδείγματα εξώθερμων διεργασιών είναι:

• Η συμπύκνωση βροχής από υδρατμούς
• Η καύση καυσίμων όπως ξύλο, κάρβουνο και πετρέλαιο
• Η ανάμειξη νερού με ισχυρά οξέα
• Η ανάμειξη αλκάλεων και οξέων
• Η σύνθεση τσιμέντου και σκυροδέματος
• Κάποιες αντιδράσεις πολυμερισμού όπως σύνθεση εποξικής ρητίνης
• Η αντίδραση θερμίτη

Συνέπειες για τις χημικές αντιδράσεις

Οι χημικές εξώθερμες αντιδράσεις είναι γενικά πιο αυθόρμητες από τις αντίστοιχες, ενδόθερμες αντιδράσεις. Σε μια θερμοχημική αντίδραση που είναι εξώθερμη, η θερμότητα μπορεί να καταχωριστεί μεταξύ των προϊόντων της αντίδρασης.

Σύγκριση μεταξύ θερμοδυναμικής και βιολογικής ορολογίας

Λόγω ενός ιστορικού ατυχήματος, οι σπουδαστές αντιμετωπίζουν μια πηγή μιας πιθανής σύγχυσης μεταξύ της ορολογίας της φυσικής και της βιολογίας. Ενώ στη θερμοδυναμική, οι όροι "εξώθερμος" και "ενδόθερμος" αντίστοιχα αναφέρονται σε διεργασίες που εκλύουν θερμική ενέργεια και διεργασίες που απορροφούν θερμική ενέργεια, στη βιολογία οι έννοιες είναι στην πραγματικότητα αντίστροφες. Στον μεταβολισμό οι όροι "εξώθερμος (ectothermic)" και "ενδόθερμος (endothermic)" αντίστοιχα αναφέρονται σε οργανισμούς που βασίζονται κυρίως σε εξωτερική θερμότητα για να αποκτήσουν μια πλήρη θερμοκρασία εργασίας και σε οργανισμούς που παράγουν θερμότητα κυρίως από μέσα τους, για να ελέγξουν τη θερμοκρασία του σώματος.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• http://chemistry.about.com/b/a/184556.htm Αρχειοθετήθηκε 2006-05-22 στο Wayback Machine. Observe exothermic reactions in a simple experiment