Energija tijekom fizikalnih i kemijskih promjena

Kemijske i fizikalne promjene prati izmjena energije. Energija u svemiru je stalna i izmijenjuje se između sustava i okoline. Sustav je onaj dio koji promatramo, a okolina sve ostalo oko sustava. Sustav se dijeli na:

• otvoreni – moguća je izmjena tvari i energije između sustava i okoline (otvorena boca koja se zagrijava)
• zatvoreni – moguća je samo izmjena energije između sustava i okoline (začepljena boca koju zagrijavamo)
• izolirani – nema izmjene ni tvari ni energije između sustava i okoline (termos boca)

Sve čestice koje izgrađuju tvari sastoje se od potencijalne energije (rezultat je međudjelovanja čestica) i kinetičke energije (rezultat je gibanja čestica). Zbroj tih dviju energija je unutarnja energija koja se između sustava i okoline izmijenjuje preko dva oblika, topline i rada.

Topina (Q) je energija koju sustav izmjenjuje s okolinom zbog razlike u temperaturi između sustava i okoline, gdje ona uvijek prelazi s toplijeg tijela na hladnije dok se razlika ne izjednači. Mjerna jedinica topline je džul (J).

Temperatura je veličina koja predstavlja mjeru unutarnje energije sustava. U svakodnevnom životu temperaturu, t iskazujemo u stupnjevima Celzijevim (˚C), dok se u kemiji koristi termodinamička temperatura, T koja se iskazuje u Kelvinima (K). Odnos između te dvije veličine je: 0 ˚C = 273,15 K.

Iako je vrijednost tih dviju veličina različita, njihova promjena koju označavamo s delta (∆) je jednaka:

Temperaturu iz Kelvina u stupnjeve Celzijuseve preračunavamo prema formuli:

Temperaturu iz stupnjeva Celzijusevih u Kelvine preračunavamo prema formuli:

Rad (W) je svaki prijenos energije koji nije toplina, a mjerna jedinica je džul (J).

Izraz koji povezuje promjenu unutarnje energije toplinu i rad jest:

Ukoliko se toplina oslobađa tada je Q < 0, a ukoliko se toplina dovodi sustavu, tada je Q > 0.
Ukoliko se sustav obavlja rad, tada je W < 0, a ukoliko se rad obavlja nad sustavom, tada je W > 0.

Tijekom kemijskih i fizikalnih promjena, energija se veže ili oslobađa (kao toplina ili rad), a pritom može doći do promjene iz jedne u drugu vrstu energije.

Egzotermne reakcije su one reakcije u kojima dolazi do oslobođenja energije u obliku topline.

Endotermne reakcije su one reakcije u kojima se energija veže u obliku topline.

Kod fizikalnih promjena dolazi do promjene energije kod prelaska iz jednog agregacijskog stanja u drugo. Primjerice energija će se uložiti da bi led iz uređenijeg sustava prešao u manje uređen sustav veće energije kao što je tekuća voda.

U kemijskim reakcijama do promjene energije dolazi zbog kidanja postojećih ili stvaranja novih kemijskih veza. Tako kod žarenja kalcijeva karbonata CaCO₃ dolazi do kidanja veza i pritom nastaju produkti CO₂ i CaO, različiti od početnog spoja.

Prilikom apsorbiranja topline, ne dolazi uvijek do promjene vrste tvari već samo do promjene temperature. Veličina koja opisuje koju količinu temperature treba dovesti nekoj tvari da bi joj se temperatura povećala za 1 K (ili ˚C) naziva se toplinski kapacitet (C), ovisan je o količini tvari, a mjerna jedinica mu je J K^-1.

Postoje dvije vrste toplinskog kapaciteta:

• specifični toplinski kapacitet (c) – toplina koja je potrebna da se 1 kg tvari temperatura povisi za 1 K (specifičan je za pojedinu tvar)

• molarni toplinski kapacitet (C_m) – toplina koja je potrebna da se 1 molu tvari temperatura povisi za 1 K

U kontaktu dvaju tijela različitih temperatura iznos izmijenjene topline ovisi o njihovim specifičnim toplinskim kapacitetima (c_A i c_B), masama i promjeni temperature:

q₁ = c₁ · m₁ · (T – T₁)

q₂ = c₂ · m₂ · (T – T₂)