فرایند گرماگیر: زمانی که دنیا سرما می‌خورد!
فرایند گرماگیر چیست؟
یک فرایند گرماگیر، مانند یک مسافر گرسنه است که برای حرکت کردن به غذا (انرژی) نیاز دارد. در دنیای علم، به هر تغییر فیزیکی یا شیمیایی که برای رخ دادن، گرما را از محیط اطراف خود جذب کند، فرایند گرماگیر می‌گوییم. در این فرایندها، انرژی گرمایی از محیط گرفته می‌شود، در نتیجه محیط اطراف سردتر به نظر میرسد.
یک کمیت علمی به نام آنتالپی۲ (H)، معیاری برای مقدار انرژی ذخیره شده در یک سامانه (مثلاً مواد درون یک بشر) است. در یک فرایند گرماگیر، چون انرژی به سامانه اضافه می‌شود، مقدار آنتالپی آن افزایش می‌یابد. این افزایش آنتالپی با نماد $\Delta H > 0$ نشان داده می‌شود. علامت مثبت، نشان‌دهنده‌ی دریافت انرژی توسط سامانه است.
انواع فرایندهای گرماگیر
فرایندهای گرماگیر را می‌توان به دو دسته‌ی کلی تقسیم کرد: تغییرات فیزیکی و تغییرات شیمیایی. درک تفاوت این دو بسیار مهم است.
| نوع فرایند | توضیح | مثال |
|---|---|---|
| تغییر فیزیکی | در این تغییر، ماهیت و هویت ماده عوض نمی‌شود، فقط حالت فیزیکی آن تغییر می‌کند. برای این تغییر به انرژی نیاز است. | ذوب یخ (H2O از جامد به مایع) |
| تغییر شیمیایی (واکنش) | در این تغییر، مواد اولیه (واکنش‌دهنده) به مواد کاملاً جدیدی (فرآورده) تبدیل می‌شوند. پیوندهای شیمیایی شکسته و تشکیل می‌شوند. | پختن کیک (مخلوط خمیر به یک ماده پخته شده تبدیل می‌شود) |
نمایش ریاضی و نموداری فرایند گرماگیر
برای درک بهتر، می‌توان این فرایند را به صورت ریاضی و نموداری نشان داد. معادله‌ی عمومی یک واکنش گرماگیر به صورت زیر است:
در نمودارهای انرژی، حالت اولیه (واکنش‌دهنده‌ها) و حالت نهایی (فرآورده‌ها) را رسم می‌کنیم. از آنجا که در فرایند گرماگیر، فرآورده‌ها انرژی بیشتری دارند، در سطح بالاتری قرار می‌گیرند. تفاوت انرژی بین این دو سطح، همان $\Delta H$ مثبت است.
فرایندهای گرماگیر در زندگی روزمره و آزمایشگاه
شما هر روزه با فرایندهای گرماگیر زیادی سر و کار دارید، حتی اگر متوجه آن نباشید. در اینجا به چند نمونه‌ی بسیار رایج اشاره می‌کنیم:
۱. ذوب یخ: هنگامی که یخ را در یک لیوان نوشابه می‌اندازید، یخ شروع به ذوب شدن می‌کند. برای این کار، یخ باید انرژی گرمایی لازم را از نوشابه بگیرد. در نتیجه، نوشابه سردتر می‌شود. این یک تغییر فیزیکی گرماگیر است.
۲. تبخیر عرق: وقتی ورزش می‌کنید، بدن شما عرق تولید می‌کند. برای تبخیر شدن عرق از روی پوست، گرما از بدن شما گرفته می‌شود. این جذب گرما باعث خنک شدن بدن شما می‌گردد.
۳. پختن نان و کیک: فرآیند پختن یک واکنش شیمیایی گرماگیر است. مواد اولیه (آرد، تخم مرغ، ...) برای تبدیل شدن به نان یا کیک، باید انرژی زیادی از فر دریافت کنند.
۴. آزمایش علمی ساده: اگر نمک‌های آمونیوم (مانند نیترات آمونیوم) را در آب حل کنید، بلافاصله مشاهده خواهید کرد که ظرف حاوی مخلوط، بسیار سرد می‌شود. دلیل آن این است که فرایند حل شدن این نمک‌ها در آب، یک فرایند گرماگیر است و گرما را از ظرف و محیط اطراف جذب می‌کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. در فرایند گرماگیر، مواد در حال تغییر (مانند یخ در حال ذوب) در واقع در حال جذب گرما هستند. این گرما از محیط اطراف (مانند دست شما یا هوا) گرفته می‌شود، در نتیجه محیط سرد می‌شود، نه لزوماً خود مواد. یخ در حال ذوب، خودش دمای ثابتی دارد (صفر درجه سانتی‌گراد) اما باعث سرد شدن دست شما می‌شود.
پاسخ: قانون پایستگی انرژی می‌گوید: "Energy is neither created nor destroyed" (انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود). در یک فرایند گرماگیر، انرژی گرمایی محیط صرف شکستن پیوندهای شیمیایی یا تغییر حالت فیزیکی در سامانه می‌شود. بنابراین انرژی کل جهان ثابت می‌ماند؛ فقط جابه‌جا شده است.
پاسخ: خیر. یک فرایند گرماگیر مانند یک ماشین است که بدون بنزین (انرژی) نمی‌تواند حرکت کند. اگر منبع تامین گرما قطع شود، فرایند متوقف می‌شود. برای مثال، اگر یک تکه یخ را در یک محیط کاملاً عایق و بدون هیچ منبع گرمایی قرار دهید، برای همیشه به صورت یخ باقی می‌ماند زیرا انرژی لازم برای ذوب شدن را دریافت نمی‌کند.
پاورقی
۱فرایند گرماگیر: Endothermic Process - به فرایندی گفته می‌شود که در آن سامانه انرژی گرمایی از محیط دریافت می‌کند.
۲آنتالپی: Enthalpy - یک کمیت ترمودینامیکی که معیار کل انرژی ذخیره شده در یک سامانه است.