فرایند گرماده: آزادسازی انرژی در اطراف ما
فرایند گرماده چیست؟
یک فرایند گرماده به هر تغییر فیزیکی یا شیمیایی گفته می‌شود که در طی آن، انرژی به شکل گرما به محیط اطراف آزاد می‌شود. این آزادسازی انرژی معمولاً به صورت افزایش دما حس می‌شود. برای درک بهتر، تصور کنید در یک روز سرد زمستانی کنار آتش نشسته‌اید. گرمایی که از سوختن چوب احساس می‌کنید، نتیجه‌ی یک فرایند گرماده است. در چنین فرایندی، انرژی ذخیره شده در مواد اولیه (مثل چوب) به انرژی گرمایی تبدیل و آزاد می‌شود.
از دیدگاه علمی، در یک فرایند گرماده، محتوای انرژی کل سامانه کاهش می‌یابد. این کاهش انرژی با کم شدن آنتالپی۲ سامانه نشان داده می‌شود. آنتالپی یک کمیت ترمودینامیکی است که انرژی کل یک سامانه را نشان می‌دهد. در یک فرایند گرماده، تغییر آنتالپی ($\Delta H$) همیشه منفی است. این را می‌توان به صورت زیر نشان داد:
$\Delta H = H_{\text{محصولات}} - H_{\text{واکنش‌دهنده‌ها}}
در این فرمول، $H_{\text{واکنش‌دهنده‌ها}}$ نشان‌دهنده‌ی آنتالپی مواد اولیه و $H_{\text{محصولات}}$ نشان‌دهنده‌ی آنتالپی مواد حاصل از واکنش است. چون انرژی آزاد می‌شود، انرژی محصولات کمتر از واکنش‌دهنده‌هاست و در نتیجه نتیجه‌ی تفریق منفی می‌شود.
انواع فرایندهای گرماده در طبیعت و زندگی
فرایندهای گرماده به دو دسته‌ی کلی شیمیایی و فیزیکی تقسیم می‌شوند. در جدول زیر نمونه‌هایی از هر دو دسته را مشاهده می‌کنید:
| نوع فرایند | مثال ملموس | توضیح مختصر |
|---|---|---|
| شیمیایی | سوختن چوب در آتش | واکنش شیمیایی بین چوب و اکسیژن هوا که منجر به تولید گرما، نور و گاز دی‌اکسید کربن می‌شود. |
| شیمیایی | قرص جوشان در آب | حل شدن قرص (مانند ویتامین C) در آب که با تولید حباب و احساس گرمای ملایم همراه است. |
| فیزیکی | انجماد آب به یخ | وقتی آب مایع یخ می‌زند، گرما آزاد می‌کند. این همان دلیلی است که گیاهان در هوای یخبندان کمی گرمتر می‌مانند. |
| فیزیکی | تراکم بخار آب روی شیشه | وقتی بخار آب موجود در هوا روی یک شیشه سرد به قطرات آب تبدیل می‌شود، گرما آزاد می‌کند. |
نمایش فرایند گرماده با یک آزمایش ساده
برای درک عینی فرایند گرماده، یک آزمایش ساده انجام دهید. مقداری سرکه۳ در یک لیوان بریزید و سپس کمی جوش شیرین۴ به آن اضافه کنید. بلافاصله واکنشی شدید را مشاهده خواهید کرد که با تولید کف و حباب‌های فراوان همراه است. اگر دیواره‌ی لیوان را لمس کنید، متوجه گرم شدن آن می‌شوید. این گرما نتیجه‌ی آزاد شدن انرژی در طی واکنش شیمیایی بین سرکه (یک اسید) و جوش شیرین (یک باز) است. این یک فرایند گرماده‌ی کلاسیک و بی‌خطر برای انجام در خانه یا مدرسه است.
واکنش شیمیایی که رخ می‌دهد را می‌توان به صورت زیر نشان داد:
$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaHCO}_3 \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \uparrow + \text{گرما}$
همانطور که می‌بینید، در سمت راست معادله، کلمه‌ی "گرما" ذکر شده است که نشان‌دهنده‌ی آزاد شدن انرژی در این فرایند است.
فرایند گرماده در خدمت انسان
انسان از دیرباز از فرایندهای گرماده برای رفع نیازهای خود استفاده کرده است. اولین و مهمترین استفاده، آتش بود که برای پخت‌وپز، گرم کردن محیط و دور کردن حیوانات به کار می‌رفت. امروزه نیز این فرایندها پایه‌ی بسیاری از فناوری‌ها هستند:
- گرماسازهای شیمیایی: در این وسیله‌ها، یک واکنش گرماده (معمولاً اکسیداسیون آهن) رخ می‌دهد که بدون شعله، گرما تولید می‌کند و برای گرم کردن دست‌ها در فضای آزاد استفاده می‌شود.
- سوخت‌های فسیلی: سوختن بنزین در موتور خودروها، گاز طبیعی در اجاق‌ها و زغال‌سنگ در نیروگاه‌ها، همگی فرایندهای گرماده هستند که انرژی لازم برای حرکت، پخت‌وپز و تولید برق را فراهم می‌کنند.
- سیمان‌سازی: واکنش‌های شیمیایی که در فرآیند تولید سیمان رخ می‌دهند، گرماده هستند و به سخت شدن و استحکام سیمان کمک می‌کنند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. همانطور که در جدول بالا دیدید، برخی فرایندهای فیزیکی مانند انجماد آب نیز گرما آزاد می‌کنند و بنابراین گرماده هستند. در فرایند فیزیکی، ماهیت شیمیایی ماده تغییر نمی‌کند، فقط حالت فیزیکی آن (مانند مایع به جامد) عوض می‌شود.
این یک نقطه‌ی مهم است. وقتی می‌گوییم آنتالپی سامانه کاهش می‌یابد، منظور انرژی ذخیره شده در خود مواد در حال واکنش است. این انرژی ذخیره شده (که آنتالپی نام دارد) هنگام واکنش به صورت گرما آزاد می‌شود و به محیط اطراف منتقل می‌گردد. بنابراین انرژی کل جهان حفظ می‌شود (قانون پایستگی انرژی)، اما سهم سامانه از این انرژی کل، کم می‌شود.
این دو مفهوم کاملاً متضاد یکدیگر هستند. در فرایند گرماده گرما آزاد می‌شود و $\Delta H است. اما در فرایند گرماگیر، گرما از محیط جذب می‌شود و سامانه سرد می‌شود. در نتیجه تغییر آنتالپی در فرایند گرماگیر مثبت است ($\Delta H > 0$). یک مثال ساده برای گرماگیر، حل شدن نمک در آب است که معمولاً با کمی سرد شدن ظرف همراه است.
فرایند گرماده، تغییراتی در جهان فیزیکی و شیمیایی است که با آزادسازی انرژی به شکل گرما همراهند. این فرایندها، از سوختن یک شمع ساده تا پیچیده‌ترین واکنش‌های صنعتی، اساس بسیاری از پدیده‌های اطراف ما را تشکیل می‌دهند. نشانه‌ی علمی این فرایندها، کاهش آنتالپی سامانه ($\Delta H ) است. درک این مفهوم نه تنها در علم شیمی، بلکه در فهم دنیای اطراف ما بسیار حیاتی است.
پاورقی
۱ فرایند گرماده (Exothermic Process)
۲ آنتالپی (Enthalpy)
۳ سرکه (Vinegar)
۴ جوش شیرین (Sodium Bicarbonate)
۵ فرایند گرماگیر (Endothermic Process)