Energia termică, temperatura și căldura

Energia poate fi definită drept capacitatea de a furniza căldură sau lucru mecanic. Un tip de lucru mecanic (w) este procesul de a determina materia să se miște împotriva unei forțe opuse. De exemplu, efectuăm lucru mecanic atunci când umflăm o anvelopă de bicicletă – mișcăm materia (aerul din pompă) împotriva forței opuse a aerului aflat deja în anvelopă.

La fel ca materia, energia vine în diferite tipuri. O schemă clasifică energia în două tipuri: energia potențială, energia pe care o are un obiect datorită poziției sale relative, compoziției sau condiției sale, și energia cinetică, energia pe care o posedă un obiect datorită mișcării sale. Apa din vârful unei cascade sau baraj are energie potențială datorită poziției sale; când curge în jos prin generatoare, are energie cinetică, care poate fi folosită pentru a efectua lucru mecanic și a produce energie electrică într-o centrală hidroelectrică (Figura 5.3). O baterie are energie potențială, deoarece substanțele chimice din ea pot produce energie electrică prin care poate funcționa.

Figura 5.3 (a) Apa la o altitudine mai mare, de exemplu, în vârful Cascadei Victoria, are o energie potențială mai mare decât apa la o altitudine mai mică. Pe măsură ce apa cade, o parte din energia sa potențială este transformată în energie cinetică. (b) Dacă apa curge prin generatoarele de la fundul unui baraj, cum ar fi barajul Hoover prezentat aici, energia sa cinetică este convertită în energie electrică. (Credit a: modificarea lucrării de Steve Jurvetson; credit b: modificarea lucrării de către „curimedia”/Wikimedia commons)

Energia poate fi convertită dintr-o formă în alta, dar toată energia prezentă înainte de a se produce o schimbare există întotdeauna într-o formă oarecare după finalizarea modificării. Această observație este exprimată în legea conservării energiei: în timpul unei schimbări chimice sau fizice, energia nu poate fi nici creată, nici distrusă, deși poate fi schimbată în altă formă. (Aceasta este, de asemenea, o versiune a primei legi a termodinamicii, după cum veți afla mai târziu.)

Când o substanță este convertită în alta, există întotdeauna o conversie asociată a unei forme de energie în alta. Căldura este de obicei eliberată sau absorbită, dar uneori conversia implică lumină, energie electrică sau o altă formă de energie. De exemplu, energia chimică (un tip de energie potențială) este stocată în moleculele care compun benzina. Când benzina este arsă în cilindrii motorului unei mașini, produșii gazoși cu expansiune rapidă ai acestei reacții chimice generează energie mecanică (un tip de energie cinetică) atunci când mișcă pistoanele cilindrilor.

Conform legii conservării materiei (văzută într-un capitol anterior), nu există nicio modificare detectabilă a cantității totale de materie în timpul unei schimbări chimice. Când au loc reacții chimice, modificările de energie sunt relativ modeste, iar schimbările de masă sunt prea mici pentru a fi măsurate, astfel încât legile conservării materiei și energiei sunt valabile. Cu toate acestea, în reacțiile nucleare, modificările de energie sunt mult mai mari (cu factori de aproximativ un milion), modificările de masă sunt măsurabile, iar conversiile materie-energie sunt semnificative. Acest lucru va fi examinat mai detaliat într-un capitol ulterior despre chimia nucleară.

Energia termică este energia cinetică asociată cu mișcarea aleatorie a atomilor și moleculelor. Temperatura este o măsură cantitativă a „cald” sau „rece”. Când atomii și moleculele dintr-un obiect se mișcă sau vibrează rapid, ei au o energie cinetică medie (KE) mai mare și spunem că obiectul este „fierbinte”. Când atomii și moleculele se mișcă lent, au un KE mediu mai scăzut și spunem că obiectul este „rece” (Figura 5.4). Presupunând că nu are loc nicio reacție chimică sau schimbare de fază (cum ar fi topirea sau vaporizarea), creșterea cantității de energie termică dintr-o probă de materie va determina creșterea temperaturii acesteia. Și, presupunând că nu are loc nicio reacție chimică sau schimbare de fază (cum ar fi condensarea sau înghețarea), scăderea cantității de energie termică dintr-o probă de materie va determina scăderea temperaturii acesteia.

Figura 5.4 (a) Moleculele dintr-o probă de apă caldă se mișcă mai rapid decât (b) cele dintr-o probă de apă rece.

Majoritatea substanțelor se extind pe măsură ce temperatura lor crește și se contractă pe măsură ce temperatura lor scade. Această proprietate poate fi utilizată pentru a măsura schimbările de temperatură, așa cum se arată în Figura 5.5. Funcționarea multor termometre depinde de dilatarea și contracția substanțelor ca răspuns la schimbările de temperatură.

Figura 5.5 (a) Într-un termometru cu alcool sau mercur, lichidul (vopsit în roșu pentru vizibilitate) se extinde când este încălzit și se contractă când este răcit, mult mai mult decât tubul de sticlă care conține lichidul. (b) Într-un termometru bimetalic, două metale diferite (cum ar fi alama și oțelul) formează o bandă cu două straturi. Când este încălzit sau răcit, unul dintre metale (alama) se extinde sau se contractă mai mult decât celălalt metal (oțel), determinând înfăşurarea sau desfăşurarea benzii. Ambele tipuri de termometre au o scară calibrată care indică temperatura. (Credit a: modificarea lucrării lui „dwstucke”/Flickr)

Căldura (q) este transferul de energie termică între două corpuri la temperaturi diferite. Fluxul de căldură (un termen redundant, dar unul folosit în mod obișnuit) crește energia termică a unui corp și scade energia termică a celuilalt. Să presupunem că avem inițial o substanță cu temperatură ridicată (și energie termică ridicată) (H) și o substanță cu temperatură scăzută (și energie termică scăzută) (L). Atomii și moleculele din H au un KE mediu mai mare decât cei din L. Dacă punem substanța H în contact cu substanța L, energia termică va curge spontan de la substanța H la substanța L. Temperatura substanței H va scădea,ca și KE medie a moleculelor sale; temperatura substanței L va crește, împreună cu KE medie a moleculelor sale. Fluxul de căldură va continua până când cele două substanțe sunt la aceeași temperatură (Figura 5.6).

Figura 5.6 (a) Substanțele H și L sunt inițial la temperaturi diferite, iar atomii lor au energii cinetice medii diferite. (b) Când se realizează contactul între ele, ciocnirile dintre molecule au ca rezultat transferul energiei cinetice (termice) de la materia mai fierbinte la cea mai rece. (c) Cele două obiecte ating „echilibrul termic” atunci când ambele substanțe sunt la aceeași temperatură și moleculele lor au aceeași energie cinetică medie.

Materia care suferă reacții chimice și modificări fizice poate elibera sau absorbi căldură. O schimbare care eliberează căldură se numește proces exoterm. De exemplu, reacția de ardere care are loc atunci când se folosește o flacără de oxiacetilenă este un proces exotermic – acest proces eliberează, de asemenea, energie sub formă de lumină, așa cum este evidențiat de flacăra pistolului (Figura 5.7). O reacție sau o schimbare care absoarbe căldură este un proces endoterm. O compresie rece folosită pentru tratarea tensiunilor musculare oferă un exemplu de proces endoterm. Atunci când substanțele din pachetul rece (apa și o sare precum nitratul de amoniu) sunt reunite, procesul rezultat absoarbe căldură, ducând la senzația de frig.

Figura 5.7 (a) O flacără de oxiacetilenă produce căldură prin arderea acetilenei în oxigen. Energia eliberată de această reacție exotermă se degajă și apoi topește metalul tăiat. Scânteile sunt bucăți mici de metal topit care zboară departe. (b) O compresie rece folosește un proces endoterm pentru a crea senzația de frig. (Credit a: modificarea lucrării lui „Skatebiker”/Wikimedia commons)

Din punct de vedere istoric, energia a fost măsurată în unități de calorii (cal). O calorie este cantitatea de energie necesară pentru a ridica un gram de apă cu 1 grad C (1 kelvin). Totuși, această cantitate depinde de presiunea atmosferică și de temperatura inițială a apei. Ușurința de măsurare a modificărilor de energie în calorii a făcut caloriile să fie încă utilizate frecvent. Caloria (cu majuscula C) sau caloria mare, folosită în mod obișnuit în cuantificarea conținutului de energie alimentară, este o kilocalorie. Unitatea SI de căldură, lucru și energie este joule. Un joule (J) este definit drept cantitatea de energie utilizată atunci când o forță de 1 newton mișcă un obiect cu 1 metru. Este numit în onoarea fizicianului englez James Prescott Joule. Un joule este echivalent cu 1 kg m²/s², numit și 1 newton-metru. Un kilojul (kJ) este 1000 jouli. Pentru a standardiza definiția sa, 1 calorie a fost setată la 4,184 jouli.

Introducem acum două concepte utile în descrierea fluxului de căldură și a schimbării temperaturii. Capacitatea termică (C) a unui corp de materie este cantitatea de căldură (q) pe care o absoarbe sau o eliberează atunci când suferă o schimbare de temperatură (ΔT) de 1 grad Celsius (sau echivalent, 1 kelvin):

C = q/ΔT

Capacitatea de căldură este determinată atât de tipul, cât și de cantitatea de substanță care absoarbe sau eliberează căldură. Prin urmare, este o proprietate extinsă – valoarea sa este proporțională cu cantitatea de substanță.

De exemplu, luați în considerare capacitatea de căldură a două tigăi din fontă. Capacitatea termică a tigăii mari este de cinci ori mai mare decât cea a tigăii mici deoarece, deși ambele sunt realizate din același material, masa tigăii mari este de cinci ori mai mare decât masa tigăii mici. Mai multă masă înseamnă că sunt prezenți mai mulți atomi în recipientul mai mare, deci este nevoie de mai multă energie pentru a face toți acești atomi să vibreze mai repede. Capacitatea termică a tigăii mici din fontă se constată observând că este nevoie de 18.150 J de energie pentru a crește temperatura tigaii cu 50,0 °C:

C_{tigaia mică} = 18.140 J/50,0 °C = 363 J/°C

Tigaia mai mare din fontă, deși este fabricată din aceeași substanță, necesită 90.700 J de energie pentru a-și crește temperatura cu 50,0 °C. Tigaia mai mare are o capacitate de căldură (proporțional) mai mare, deoarece cantitatea mai mare de material necesită o (proporțională) cantitate mai mare de energie pentru a produce aceeași schimbare de temperatură:

C_{tigaia mare} = 90.700 J/50,0 °C = 1814 J/°C

Capacitatea termică specifică (c) a unei substanțe, numită în mod obișnuit „căldura specifică” a acesteia, este cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura a 1 gram de substanță cu 1 grad Celsius (sau 1 kelvin):

c=q/mΔT

Capacitatea termică specifică depinde numai de tipul de substanță care absoarbe sau eliberează căldură. Este o proprietate intensivă – tipul, dar nu cantitatea, de substanță este tot ceea ce contează. De exemplu, tigaia mică din fontă are o masă de 808 g. Căldura specifică a fierului (materialul folosit pentru a face tigaia) este așadar:

c_fier = 18.140 J/(808 g)(50,0 °C) = 0,449 J/g°C

Tigaia mare are o masă de 4040 g. Folosind datele pentru această tigaie, putem calcula și căldura specifică a fierului:

c_fier = 90.700 J/(4040 g)(50,0 °C) = 0,449 J/g°C

Deși tigaia mare este mai masivă decât tigaia mică, deoarece ambele sunt făcute din același material, ambele produc aceeași valoare pentru căldură specifică ( pentru materialul de construcție, fier). Rețineți: căldura specifică se măsoară în unități de energie pe temperatură pe masă și este o proprietate intensivă, fiind derivată dintr-un raport de două proprietăți extensive (căldură și masă). Capacitatea de căldură molară, de asemenea, o proprietate intensivă, este capacitatea termică pe mol a unei anumite substanțe și are unități de J/mol °C (Figura 5.8).

Figura 5.8 Datorită masei sale mai mari, o tigaie mare are o capacitate de căldură mai mare decât o tigaie mică. Pentru că sunt realizate din același material, ambele tigăi au aceeași căldură specifică. (Credit: Mark Blaser)

Apa are o căldură specifică relativ mare (aproximativ 4,2 J/g °C pentru lichidă și 2,09 J/g °C pentru solidă); majoritatea metalelor au călduri specifice mult mai scăzute (de obicei mai puțin de 1 J/g °C). Căldura specifică a unei substanțe variază oarecum în funcție de temperatură. Cu toate acestea, această variație este de obicei suficient de mică încât vom trata căldura specifică ca o constantă în intervalul de temperaturi care va fi luat în considerare în acest capitol. Căldurile specifice ale unor substanțe comune sunt enumerate în Tabelul 5.1.

Căluri specifice ale substanțelor obișnuite la 25 °C și 1 bar

Substanța	Simbol (starea)	Cîldura specifică (J/g °C)
heliu	He(g)	5,193
apa	H2O(l)	4,184
etanol	C2H6O(l)	2,376
gheața	H2O(s)	2,093 (la −10 °C)
vapori de apă	H2O(g)	1,864
azot	N2(g)	1,040
aer		1,007
oxigen	O2(g)	0,918
aluminu	Al(s)	0,897
bioxid de carbon	CO2(g)	0,853
argon	Ar(g)	0,522
fier	Fe(s)	0,449
cupru	Cu(s)	0,385
plumb	Pb(s)	0,130
aur	Au(s)	0,129
siliciu	Si(s)	0,712

Tabelul 5.1

Dacă cunoaștem masa unei substanțe și căldura ei specifică, putem determina cantitatea de căldură, q, care intră sau iese din substanță prin măsurarea schimbării temperaturii înainte și după ce căldura este câștigată sau pierdută:

q = (căldura specifică) × (masa substanței) × (modificarea temperaturii)

q = c × m × ΔT = c × m × (T_finală − T_inițială)

În această ecuație, c este căldura specifică a substanței, m este masa acesteia, iar ΔT (care se citește „delta T”) este modificarea temperaturii, T_finală − T_inițială. Dacă o substanță câștigă energie termică, temperatura ei crește, temperatura finală este mai mare decât temperatura inițială, T_finală − T_inițială are o valoare pozitivă, iar valoarea lui q este pozitivă. Daca o substanță pierde energie termică, temperatura ei scade, temperatura finală este mai mică decât temperatura inițială, T_finală − T_inițială are o valoare negativă, iar valoarea lui q este negativă.

Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2024 MultiMedia Publishing