انرژی آزادشده: نیروی پنهان در پدیدههای جهان
انرژی چیست و آزادسازی آن چه معنایی دارد؟
قبل از پرداختن به انرژی آزادشده، باید با خود انرژی آشنا شویم. انرژی را به صورت ساده میتوان «توانایی انجام کار» تعریف کرد. هر کاری مانند بلند کردن یک کتاب، گرم کردن غذا یا روشن کردن یک لامپ نیازمند انرژی است. انرژی به شکلهای مختلفی وجود دارد: انرژی جنبشی (انرژی حرکت)، انرژی پتانسیل (انرژی ذخیرهشده)، انرژی گرمایی، انرژی شیمیایی، انرژی نورانی و غیره. قانون پایستگی انرژی میگوید: انرژی نه به وجود میآید و نه از بین میرود، بلکه فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود.
انرژی آزادشده دقیقاً نتیجهی همین «تبدیل» انرژی است. وقتی یک سوخت مانند چوب میسوزد، انرژی شیمیایی ذخیرهشده در پیوندهای مولکولی آن شکسته میشود و به انرژی گرمایی و نورانی تبدیل میگردد. این گرمایی که ما حس میکنیم و نوری که میبینیم، همان انرژی آزادشده است. در واقع، در یک فرآیند یا واکنش، اگر انرژی سامانه (سیستم) کاهش یابد، این مقدار انرژی کاهش یافته به محیط اطراف (محیط) منتقل میشود که به آن انرژی آزادشده میگویند.
انرژی آزادشده در کجاها دیده میشود؟ (انواع و مثالها)
انرژی آزادشده محدود به آزمایشگاه شیمی نیست. نمونههای آن در اطراف ما فراوان است. در جدول زیر برخی از مهمترین حوزهها و مثالهای ساده آورده شدهاند:
| حوزه | مثال ملموس | نوع انرژی آزادشده | توضیح مختصر |
|---|---|---|---|
| واکنشهای شیمیایی | سوختن چوب در آتش یا بنزین در موتور | گرمایی و نورانی | انرژی شیمیایی ذخیرهشده در پیوندهای مولکول سوخت، به گرما و نور تبدیل میشود. |
| سلولهای الکتروشیمیایی | باتری قلمی (AA) یا باتری موبایل | الکتریکی | واکنش شیمیایی درون باتری، انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی مورد استفاده دستگاهها تبدیل میکند. |
| فرآیندهای هستهای | واکنشهای درون خورشید یا نیروگاه هستهای | بسیار زیاد (گرمایی و نورانی) | در همجوشی4 یا شکافت5 هستهای، جرم به انرژی تبدیل میشود ($E=mc^2$). |
| تغییرات فیزیکی | انجماد آب (تبدیل آب به یخ) | گرمایی | هنگام انجماد، آب انرژی گرمایی خود را به محیط اطراف پس میدهد (آزاد میکند). |
| فرآیندهای زیستی | تنفس سلولی در بدن ما | شیمیایی (در قالب ATP6) | با شکستن مولکول گلوکز در حضور اکسیژن، انرژی ذخیرهشده در آن به شکل مولکولهای پرانرژی ATP آزاد میشود. |
برای درک بهتر، آزمایش سادهای را تصور کنید: مقداری سرکه و جوش شیرین را در یک لیوان مخلوط میکنید. مشاهده میکنید که کف زیادی تولید شده و گازی آزاد میشود. اگر لیوان را لمس کنید، احتمالاً خنکتر شده است. این یک واکنش گرماگیر است و انرژی از محیط (شامل لیوان و دست شما) میگیرد. در نقطه مقابل، حل کردن آهک زنده (اکسید کلسیم) در آب، گرمای زیادی تولید میکند؛ یک واکنش گرماده که انرژی آزاد میکند.
چگونه انرژی آزادشده را اندازهگیری و محاسبه میکنند؟
دانشمندان برای اندازهگیری مقدار انرژی آزادشده در یک واکنش، از ابزارهایی مانند کالریمتر7 استفاده میکنند. یک کالریمتر ساده اساساً یک ظرف عایقبندی شده است که واکنش در آن رخ میدهد. با اندازهگیری تغییر دمای آب یا مادهای دیگر درون کالریمتر، میتوانند مقدار گرمای آزاد یا جذب شده را محاسبه کنند.
$Q = m \times c \times \Delta T$
که در آن: $Q$ مقدار گرما (بر حسب ژول یا کالری)، $m$ جرم مادهای که دمای آن تغییر میکند (بر حسب گرم یا کیلوگرم)، $c$ ظرفیت گرمایی ویژه آن ماده و $\Delta T$ تغییر دمای آن است.
مثال عددی ساده: فرض کنید در یک کالریمتر، واکنشی رخ داده و دمای 100 گرم آب از 25 به 35 درجه سانتیگراد افزایش یافته است. ظرفیت گرمایی ویژه آب تقریباً 4.18 \, \text{J/g°C}$ است. انرژی گرمایی آزادشده برابر است با:
$Q = 100 \times 4.18 \times (35-25) = 100 \times 4.18 \times 10 = 4180 \, \text{J}$
بنابراین، این واکنش حدود 4180 ژول انرژی گرمایی به محیط داده است.
در سطح پیشرفتهتر (دبیرستان)، برای واکنشهای شیمیایی از مفهومی به نام انتالپی8 استفاده میشود. تغییر انتالپی واکنش ($\Delta H$) معیاری برای انرژی گرمایی مبادله شده در فشار ثابت است. اگر $\Delta H باشد، واکنش گرماده و اگر $\Delta H > 0$ باشد، واکنش گرماگیر است.
کاربردهای عملی و اهمیت انرژی آزادشده در فناوری و زندگی
آشنایی با انرژی آزادشده تنها یک بحث نظری نیست. تمام صنعت انرژی و بسیاری از فناوریهای مدرن بر پایهی مهار و کنترل این انرژی بنا شدهاند.
- تولید برق: در نیروگاههای حرارتی (زغالسنگ، گاز، هستهای)، انرژی آزادشده از سوختن یا فرآیند هستهای، آب را به بخار با فشار بالا تبدیل میکند. بخار، توربینهای عظیم را میچرخاند و ژنراتور، این انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
- حمل و نقل: در موتورهای درونسوز خودروها، انرژی شیمیایی آزادشده از سوختن بنزین یا گازوئیل، به انرژی گرمایی و سپس به انرژی مکانیکی (حرکت پیستونها) تبدیل میشود که در نهایت باعث حرکت خودرو میگردد.
- تغذیه دستگاههای قابل حمل: باتریهای لیتیومیون در تلفنهای همراه و لپتاپها، بر اساس آزادسازی کنترلشدهی انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی کار میکنند.
- پزشکی و سلامت: در بستههای گرمازا (مثل کیسههای گرمایشی یکبارمصرف)، یک واکنش شیمیایی گرماده (مثل اکسید شدن آهن) با آزاد کردن انرژی گرمایی، باعث گرم شدن ناحیه مورد نظر میشود.
- صنایع شیمیایی: کنترل انرژی آزادشده در واکنشها برای ایمنی و بهرهوری بسیار مهم است. برخی واکنشها آنقدر انرژی آزاد میکنند که اگر کنترل نشوند میتوانند منفجر شوند.
تصور کنید یک مهندس شیمی میخواهد یک واکنش جدید را در مقیاس صنعتی انجام دهد. یکی از اولین و مهمترین چیزهایی که باید بداند، این است که آیا این واکنش انرژی آزاد میکند یا انرژی میگیرد و این مقدار چقدر است. این اطلاعات به او کمک میکند تا راکتور (محفظه انجام واکنش) را به اندازه مناسب و با سیستمهای خنککننده یا گرمکننده لازم طراحی کند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 Released Energy
2 Exothermic Reaction
3 Endothermic Reaction
4 Nuclear Fusion
5 Nuclear Fission
6 Adenosine Triphosphate (نوعی مولکول حامل انرژی در سلولهای زنده)
7 Calorimeter
8 Enthalpy
