ترموشیمی یا شیمی گرمایی چیست؟

ترموشیمی یا شیمی گرمایی شاخه‌ای از علم شیمی است که به مطالعه تغییرات انرژی گرمایی که در فرایندهای شیمیایی رخ می‌دهد می‌پردازد و میزان گرمای جذب شده یا آزاد شده در طی تغییرات شیمیایی و فیزیکی را مورد بررسی قرار می‌دهد.  این علم به ما کمک می‌کند تا بهتر درک کنیم چگونه دما می‌تواند واکنش‌ها و فرآیندهای شیمیایی را کنترل و مدیریت کند و این در نهایت منجر به کاربردهای متعددی در زندگی روزمره و صنعت می‌شود.

علاوه بر این، ترموشیمی در توضیح و پیش‌بینی رفتار مواد در شرایط دمایی مختلف مفید است. مثلاً، با استفاده از ترموشیمی می‌توان واکنش‌های شیمیایی را بهینه کرد و یا ویژگی‌های فیزیکی مواد را بهبود بخشید. در ادامه به بحث پیرامون انرژی مورد نیاز بشر و ارتباط آن با ترموشیمی می‌پردازیم.

واکنش‌های شیمیایی، مانند واکنش‌هایی که هنگام روشن کردن کبریت رخ می‌دهند، تغییراتی در انرژی و همچنین ماده به همراه دارند. جوامع بشری نمی‌توانند بدون انرژی آزاد شده توسط واکنش‌های شیمیایی به حیات خود ادامه دهند.

در سال 2012، حدود 85 درصد از مصرف انرژی ایالات متحده ناشی از احتراق محصولات نفتی، زغال سنگ، چوب و زباله بود. از این انرژی برای تولید برق (38%)، حمل و نقل (27%)، تولیدات صنعتی (21%)، و گرم کردن منازل و ساختمان­‌ها (10%) استفاده می‌شود.

با وجود اینکه این واکنش‌های احتراق کمک می‌کنند تا نیازهای ضروری انرژی خود را برآورده کنیم، اما از دید جوامع علمی به عنوان یکی از عوامل اصلی تغییرات آب و هوایی جهان نیز مطرح هستند. البته اشکال مفید انرژی از انواع واکنش‌های شیمیایی غیر از احتراق نیز در دسترس است. به عنوان مثال، انرژی تولید شده توسط باتری‌های تلفن همراه، ماشین یا چراغ قوه از واکنش های شیمیایی ناشی می‌شود.

تغییرات شیمیایی و تغییرات انرژی همراه آن‌ها بخش مهمی از دنیای روزمره ما هستند. مواد مغذی موجود در غذا (پروتئین‌ها، چربی‌ها و کربوهیدرات‌ها) تحت واکنش‌های متابولیکی قرار می‌گیرند و انرژی لازم برای حفظ عملکرد بدن را فراهم می‌کنند. ما انواع سوخت (بنزین، گاز طبیعی، زغال سنگ) را برای تولید انرژی برای حمل و نقل، گرمایش و تولید برق می‌سوزانیم.

واکنش‌های شیمیایی در صنعت مقادیر زیادی انرژی برای تولید مواد خام (مانند آهن و آلومینیوم) مصرف می‌کنند. سپس انرژی بیشتر برای تبدیل آن مواد خام به محصولات دیگر مانند اتومبیل، آسمان خراش­‌ها و پل‌ها مصرف می‌شود.

در اصل بیش از 90 درصد انرژی مورد استفاده ما از خورشید تامین می‌شود. خورشید هر روز تقریباً 10000 برابر انرژی لازم برای تأمین تمام انرژی مورد نیاز جهان برای آن روز را، در اختیار زمین قرار می‌دهد. چالش دانشمندان، یافتن راه‌هایی برای تبدیل و ذخیره انرژی خورشیدی است تا بتوان از آن در واکنش‌ها یا فرآیندهای شیمیایی که هم راحت و هم بدون آلودگی هستند استفاده کرد.

گیاهان و بسیاری از باکتری‌ها انرژی خورشیدی را از طریق فتوسنتز جذب می‌کنند. وقتی چوب یا محصولات گیاهی مانند اتانول را می‌سوزانیم، در واقع، انرژی ذخیره شده در گیاهان را آزاد می‌کنیم.

همچنین با خوردن غذاهای گیاهی یا گوشت حیواناتی که انرژی خود را با خوردن گیاهان دریافت می‌کنند، از انرژی ذخیره شده در گیاهان برای سوخت بدن خود استفاده می‌کنیم. سوزاندن زغال سنگ و نفت نیز انرژی ذخیره شده خورشیدی را آزاد می کند، این سوخت‌ها، مواد گیاهی و جانوری فسیل شده هستند.

تعریف انرژی

انرژی را می‌توان به عنوان ظرفیت تامین گرما یا انجام کار تعریف کرد. یکی از انواع کار (w) فرآیندی است که باعث می شود ماده در برابر یک نیروی مخالف حرکت کند. به عنوان مثال، وقتی لاستیک دوچرخه را باد می کنیم، کار انجام می دهیم. ماده (هوای پمپ) را در مقابل نیروی مخالف هوای اطراف لاستیک حرکت می‌دهیم.

انواع مختلف انرژی وجود دارد مانند انرژی الکتریکی، انرژی مکانیکی، انرژی هسته‌ای، انرژی شیمیایی و … . همچنین حالت‌های مختلف انرژی را می‌توان به یکدیگر تبدیل کرد. براساس قانون بقای انرژی، در طی یک تغییر شیمیایی یا فیزیکی، انرژی نه می تواند ایجاد شود و نه از بین می رود، فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. در یک طبقه‌بندی دیگر انرژی به دو دسته انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی تقسیم می‌شود.

هنگامی که یک ماده به ماده دیگر تبدیل می‌شود، همیشه تبدیل یک شکل از انرژی به شکل دیگری وجود دارد و معمولاً گرما آزاد یا جذب می شود. اما گاهی اوقات این تبدیل شامل نور، انرژی الکتریکی یا شکل دیگری از انرژی است.

به عنوان مثال، انرژی شیمیایی (نوعی انرژی پتانسیل) در مولکول‌هایی که بنزین را تشکیل می‌دهند ذخیره می‌شود. هنگامی که بنزین در داخل سیلندرهای موتور خودرو می­‌سوزد، محصولات گازی در حال انبساط این واکنش شیمیایی، با حرکت دادن پیستون‌های سیلندر، انرژی مکانیکی (نوعی انرژی جنبشی) تولید می‌کنند.

مفاهیم کلیدی در ترموشیمی:

انرژی گرمایی:

انرژی گرمایی یا انرژی حرارتی نوعی انرژی جنبشی است که با حرکت تصادفی اتم‌ها و مولکول‌ها مرتبط است. دما معیار کمی «گرم» یا «سرد» است. وقتی اتم‌ها و مولکول‌های یک جسم به سرعت در حال حرکت یا ارتعاش هستند، انرژی جنبشی بالاتری دارند و می‌گوییم جسم «گرم» است. هنگامی که اتم‌ها و مولکول‌ها به آرامی حرکت می‌کنند، انرژی جنبشی پایین‌تری دارند و می گوییم که جسم “سرد” است.

 گرما:

گرما (q) انتقال انرژی حرارتی بین دو جسم در دماهای مختلف است. اگر دو جسم گرم و سرد باهم در تماس باشند همیشه گرما از جسم گرم به جسم سرد منتقل می‌شود تا زمانیکه این دو جسم همدما شوند. ماده­ای که تحت واکنش‌های شیمیایی و تغییرات فیزیکی قرار می‌گیرد می تواند گرما را آزاد یا جذب کند.

تغییری که باعث آزاد شدن گرما می‌شود، فرآیند گرمازا یا گرماده نامیده می‌شود. مانند سوختن بنزین. در نقطه مقابل، واکنش یا تغییری که گرما را جذب می کند یک فرآیند گرماگیر است. مانند ذوب شدن یخ.

انرژی داخلی: مقدار کلی انرژی مولکول‌ها و جابجایی‌های آن‌ها در یک سیستم.

آنتالپی: تغییر گرمایی در یک سیستم در حین واکنش یا فرآیند شیمیایی در فشار ثابت.

آنتروپی: میزان بی‌نظمی در یک سیستم و تغییر آن در طول زمان.

کاربردهای ترموشیمی:

ترموشیمی تقریباً در تمامی زمینه‌های علمی و فنی کاربرد فراوانی دارد. دانشمندان علوم غذایی از مفاهیم ترموشیمی برای تعیین محتوای انرژی غذاها استفاده می‌کنند. زیست شناسان انرژی موجودات زنده مانند سوخت و ساز قند به کربن دی‌اکسید و آب را مطالعه می‌کنند.

صنایع نفت، گاز و حمل و نقل و توسعه‌دهندگان انرژی‌های تجدیدپذیر تلاش می‌کنند تا روش‌های بهتری برای تولید انرژی برای نیازهای تجاری و شخصی بیابند.

مهندسان در تلاشند تا بهره‌وری انرژی را بهینه کنند و روش‌های بهتری برای گرم کردن و خنک کردن خانه‌ها بیابند و نیازهای انرژی و سرمایش رایانه‌ها و لوازم الکترونیکی را برآورده کنند.

درک اصول ترموشیمی برای شیمیدان‌ها، فیزیکدان‌ها، زیست شناسان، زمین شناسان، مهندسین و تقریباً برای هر فردی که مطالعه و تحقیق علمی انجام می‌دهد ضروری است.

جمع‌بندی:

ترموشیمی علمی‌ است که به مطالعه و بررسی تغییرات دما در واکنش‌های شیمیایی می‌پردازد. این مفهوم بر روی تاثیر دما بر سرعت و جهت واکنش‌های شیمیایی، حالت‌های ترمودینامیکی و خواص حرارتی مواد تمرکز دارد.

در ترموشیمی، مفاهیمی مانند انرژی داخلی، آنتالپی و آنتروپی مورد بررسی قرار می‌گیرد. این شاخه از شیمی نه تنها در تحقیقات پایه، بلکه در کاربردهای عملی و صنعتی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این رو، ترموشیمی به عنوان یکی از شاخه‌های مهم و حیاتی در زمینه علوم شیمیایی و فناوری‌های مرتبط مورد توجه قرار دارد.

لطفاً نظر ارزشمند خود را درباره این مقاله در بخش دیدگاه بنویسید.