11. Закон сохранения энергии. Термохимия

Груз, поднятый на высоту, обладает способностью произвести работу, равную той, в результате которой он был поднят. Потенциальная энергия переходит здесь в кинетическую. Подобно этому энергия струи воды или энергия пара переходит в турбине в энергию вращательную (механическую), энергия вращательная в динамомашине - в энергию электрическую, которая в электродвигателе переходит обратно во вращательную или в обогревателе - в тепловую, в электрической лампе - в световую и т. д.

Во всех этих случаях и повсюду там, где одна форма энергии переходит в иную ее форму, действует закон сохранения энергии, т. е. при каждом изменении энергии остается неизменным ее количество (конечно, при учете потерь трением, излучением и т. д.). Таким образом, одна энергия превращается в эквивалентное (равноценное) количество другой энергии.

Закон сохранения энергии подобен закону сохранения вещества. Так же, как нельзя ни уничтожить, ни создать вещество, нельзя ни создать, ни уничтожить энергию. Опыты современной физики показывают, что между веществом и энергией есть определенная зависимость и что оба закона по существу выражают одно и то же.

Особым видом энергии является энергия химическая, которая освобождается или расходуется при каждой химической реакции; ее можно, как и всякую другую энергию, изменить в механическую (применение взрывчатых веществ в шахтах), тепловую (сжигание топлива), электрическую (гальванические элементы) или световую (свет магния).

Измерить химическую энергию непосредственно нельзя, а потому ее величина определяется как величина тепловой энергии (в ккал, т. е. в килокалориях). Изучением тепловых явлений при химических реакциях занимается термохимия.

Различают химические реакции, выделяющие тепло (экзотермические), и химические реакции, тепло поглощающие (эндотермические).

Реакции экзотермические протекают, как правило, самопроизвольно (горение). Их реактивное тепло положительно, так как вещества, вступившие в реакцию (исходные вещества), обладают большей химической энергией, чем вещества возникшие (результат реакции).

Реакции эндотермические протекают только в тех случаях, когда подается достаточное количество энергии, напр. тепла (разложение известняка). Их реактивное тепло отрицательно, ибо вещества, вступившие в реакцию, обладают меньшим количеством энергии, чем вещества возникшие.

Химическая энергия, выделенная при соединении элементов в определенное соединение, проявляется как теплота образования. Тепло, необходимое для разложения этого соединения, есть теплота поглощения. В смысле цифровом теплота поглощения одинакова с теплотой образования, однако имеет обратный знак.

Соединения, теплота образования которых положительна, являются соединениями экзотермическими. Вещества с отрицательной теплотой образования являются эндотермическими. Экзотермические соединения устойчивы (чтобы их разложить, необходимо затратить определенное количество энергии), эндотермические соединения неустойчивы (их разложение способствует возникновению тепла). Поэтому реакции экзотермические протекают быстро, часто самопроизвольно, реакции же эндотермические протекают только тогда, когда подается достаточное количество энергии, или тепловой (разложение известняка), или электрической (электролиз).

Энергетические отношения при химических реакциях выражаются так наз. термохимическими уравнениями. В них в скобках обозначается состояние исходных и образовавшихся после реакции веществ;^* реактивное же тепло указывается со знаком положительным (если тепло образовалось) и со знаком отрицательным (если тепло при реакции поглощалось). Напр. уравнение

^*(г = газ; ж = жидкость; т = твердое вещество. Международные обозначения: g = газ; l = жидкость; s = твердое вещество)

читается так: соединением 2 * 1,008 г водорода с 16 г кислорода получаем 18,016 г воды, причем выделяется 68,3 ккал тепла. Образовавшееся соединение является экзотермическим (устойчивым), т. к. для его разложения необходимо то же количество тепловой энергии, т. е. 68,3 ккал для разложения 18,016 г воды.

Уравнение:

читается так: соединением 12 г углерода С 2 * 32,06 г серы возникает 76,12 г сероуглерода; при этой реакции необходимо подать 25,4 ккал тепла. Образовавшееся соединение является эндотермическим (неустойчивым), т. к. при разложении 76,12 г сероуглерода выделяется 25,4 ккал тепловой энергии.