Химическая энергия

Не следует путать с химическим потенциалом .

Химическая энергия – это энергия химических веществ , которая высвобождается, когда вещества вступают в химическую реакцию и превращаются в другие вещества. Некоторые примеры средств хранения химической энергии включают батареи, продукты питания и бензин (а также газообразный кислород, обладающий высокой химической энергией из-за относительно слабой двойной связи). и незаменим для выделения химической энергии при сгорании бензина). Разрыв и восстановление химических связей требует энергии , которая может либо поглощаться химической системой, либо выделяться из нее. Если реагенты с относительно слабыми связями электронных пар превращаются в более прочно связанные продукты, выделяется энергия. Следовательно, относительно слабосвязанные и нестабильные молекулы запасают химическую энергию.

Энергия, которая может выделиться или поглотиться в результате реакции между химическими веществами, равна разнице между энергосодержанием продуктов и реагентов, если начальная и конечная температуры одинаковы. Это изменение энергии можно оценить по энергиям связи реагентов и продуктов . Его также можно рассчитать из $\Delta {U_{f}^{\circ }}_{\mathrm {reactants} }$, внутренняя энергия образования молекул реагентов , и $\Delta {U_{f}^{\circ }}_{\mathrm {products} }$, внутренняя энергия образования молекул продукта. Изменение внутренней энергии химического процесса равно теплообмену, если оно измерено в условиях постоянного объема и равных начальной и конечной температуры, как в закрытом контейнере, таком как бомба-калориметр . Однако в условиях постоянного давления, как и в реакциях в сосудах, открытых в атмосферу, измеряемое изменение тепла не всегда равно изменению внутренней энергии, поскольку работа давление-объем также выделяет или поглощает энергию. (Изменение тепла при постоянном давлении равно изменению энтальпии , в данном случае энтальпии реакции , если начальная и конечная температуры равны).

Родственный термин — это теплота сгорания , которая представляет собой энергию в основном слабых двойных связей молекулярного кислорода. выделяется в результате реакции горения и часто применяется при исследовании топлива . Пища подобна углеводородному и углеводному топливу, и когда она окисляется до углекислого газа и воды, выделяемая энергия аналогична теплоте сгорания (хотя и оценивается иначе, чем для углеводородного топлива — см. Энергия пищи ).

Химическая потенциальная энергия — это форма потенциальной энергии, связанная со структурным расположением атомов или молекул. Такое расположение может быть результатом химических связей внутри молекулы или взаимодействия между ними. Химическая энергия химического вещества может быть преобразована в другие формы энергии посредством химической реакции . Например, при сгорании топлива химическая энергия молекулярного кислорода и топлива преобразуется в тепло. Зеленые растения преобразуют солнечную энергию в химическую энергию (в основном кислорода) посредством процесса фотосинтеза , а электрическая энергия может быть преобразована в химическую энергию и наоборот посредством электрохимических реакций.

Подобный термин «химический потенциал» используется для обозначения способности вещества претерпевать изменение конфигурации, будь то в форме химической реакции, пространственного переноса, обмена частицами с резервуаром и т. д. Это не форма потенциальной энергии. сама по себе, но более тесно связана со свободной энергией . Путаница в терминологии возникает из-за того, что в других областях физики, где не доминирует энтропия, вся потенциальная энергия доступна для выполнения полезной работы и заставляет систему самопроизвольно претерпевать изменения конфигурации, и, таким образом, не существует различия между «свободной» и «свободной» энергией. «несвободная» потенциальная энергия (отсюда и одно слово «потенциальная»). Однако в системах с большой энтропией, таких как химические системы , общее количество присутствующей энергии (и сохраняемой в соответствии с первым законом термодинамики ), частью которой является эта химическая потенциальная энергия, отделено от количества этой энергии — термодинамически свободной. энергия (из которой получается химический потенциал ), которая (по-видимому) приводит систему в движение самопроизвольно по мере увеличения глобальной энтропии (в соответствии с второй закон ).