Энергия (хотел бы я иметь больше)
Как вы уже знаете, одним из двух компонентов Вселенной является вещество. Ну а другой компонент — это энергия, т.е. способность выполнять работу. И если вы похожи на меня, то в 17.00 ваша производительность (да и ваш энергетический уровень) становится довольно низкой.
Существует несколько форм энергии, например тепловая, световая, электрическая или механическая. Впрочем, из всех видов энергии для химиков особый интерес представляет кинетическая и потенциальная энергия.
Кинетическая энергия, или Ни минуты покоя
Кинетическая энергия — это энергия движения. Бейсбольный мяч, летящий по воздуху навстречу игроку с битой, обладает большой кинетической энергией. Спросите об этом любого, в кого попадал бейсбольный мяч, и вы получите утвердительный ответ! Химики изучают движущиеся частицы (особенно это касается газов), так как с помощью их кинетической энергии можно определить, будет ли протекать та или иная реакция. Дело в том, что химические реакции происходят благодаря столкновению частиц и передаче энергии.
Кинетическая энергия движущихся частиц может передаваться от одной частицы к другой. Приходилось ли вам играть в пул (вид бильярда)? Вы передаете кинетическую энергию с помощью кия одному шару, а через него (как вы надеетесь) и другому шару, в который вы прицелились.
Кинетическая энергия может превратиться в энергию другого вида. Плотина гидроэлектростанции превращает кинетическую энергию падающей воды в электрическую. На самом же деле, согласно закону сохранения энергии, в обычных химических реакциях (или физических процессах) энергия не исчезает бесследно и не появляется из ниоткуда — она лишь переходит из одного вида в другой. (Впрочем, в ядерных реакциях этот закон не соблюдается. Более подробно это рассматривается в главе 5, «Ядерная химия, которая поразит ваше воображение».)
Потенциальная энергия, или Хорошо сидим
Предположим, вы берете мяч и бросаете его в сторону дерева, в ветвях которого он застревает. Бросая мяч, вы сообщаете ему кинетическую энергию — энергию движения. Что же с ней произошло, когда мяч застрял в ветках? Она превратилась в другую энергию — потенциальную.
Потенциальная энергия — это сохраняемая энергия, которая зависит от положения объекта и способна проявиться при определенных условиях. Мяч, застрявший в ветках дерева, обладает такой энергией, поскольку в данный момент он находится в состоянии покоя, но под действием силы тяжести может упасть. И если он начнет падать на землю, то его потенциальная энергия превратится в кинетическую. (Так что будьте осторожны!)
Однако этот аспект потенциальной энергии химикам совсем не интересен. В действительности их интересует энергия (потенциальная), заложенная в химических связях. Химические связи — это силы, которые удерживают атомы, входящие в соединения.
Для жизнедеятельности человеческого организма нужно много энергии. Что, если бы не было способа хранить энергию, которую вы получаете из пищи? Тогда, чтобы организм функционировал нормально, пришлось бы все время питаться. (Моя супруга и так жалуется, что я все время ем!) Однако организм человека устроен таким образом, что может сохранять энергию, зависящую от химических связей. Затем, когда она нам понадобится, наш организм может освобождать ее, разрывая эти связи.
Это же справедливо и для тех видов топлива, которые используются, чтобы отапливать дома или водить автомобили. Например, в бензине энергия хранится, а под действием химических реакций она освобождается.
Измерение энергии
Измерить потенциальную энергию довольно сложно. Потенциальная энергия мяча, застрявшего в ветках дерева, зависит от массы мяча и от высоты, на которой он находится по отношению к земле. Ну а потенциальная энергия, хранящаяся в химических связях, зависит от вида и количества связей, которые могут быть разорваны.
Кинетическую энергию измерить намного проще. Для этого можно пользоваться довольно простым инструментом — термометром.
Температура и ее шкалы
Измеряя, скажем, температуру во дворе своего дома, вы на самом деле измеряете среднюю кинетическую энергию (энергию движения) находящихся там частиц газа. И чем быстрее движение этих частиц, тем выше температура.
В одно и то же время скорость всех частиц не одинакова. Одни частицы движутся очень быстро, а другие — довольно медленно, но скорость большинства частиц находится где-то посередине между двумя крайними значениями. Температура, измеряемая с помощью термометра, зависит от средней кинетической энергии частиц.
Для измерения температуры вы, вероятно, используете шкалу Цельсия (°C). Кроме того, существует еще температурная шкала Фаренгейта (°F) и Кельвина (K). (Обратите внимание, что перед буквой «K» символ градуса не ставится.) Сравнение трех температурных шкал на рис. 2.4 показано на примере двух контрольных точек — точки замерзания и точки кипения воды.
Рис. 2.4. Сравнение температурных шкал Фаренгейта, Цельсия и Кельвина
Как видно на рис. 2.4, вода кипит при 100 °C (373 K) и замерзает при 0 °C (273 K). Если необходимо определить температуру по шкале Кельвина, следует к значению температуры по Цельсию прибавить 273, т.е.
K = °C + 273.
Вероятно, у вас возникнет вопрос, как можно преобразовать температуру по Фаренгейту в температуру по Цельсию и наоборот. Для этого используются следующие формулы:
°C = 5/9 x (°F – 32)
(перед тем как выполнять умножение на 5/9, не забудьте из температуры по Фаренгейту вычесть 32);
°F = 9/5 x (°C) + 32
(на этот раз не забудьте сначала умножить температуру по Цельсию на 9/5 и лишь затем прибавить 32).
Теперь, зная формулы для пересчета из одной температурной шкалы в другую, вычислите, какова температура вашего тела по Фаренгейту (например, 37 °C соответствует 98,6 °F).
В настоящей книге в основном используется шкала Цельсия. Впрочем, в случаях, когда речь идет о поведении газов, используется шкала Кельвина.
Почувствуйте теплоту
Теплота — это не то же самое, что температура. Измеряя температуру, вы измеряете среднюю кинетическую энергию отдельных частиц. А теплота — это мера общего количества энергии какого-либо вещества. Например, температура воды в стакане и в плавательном бассейне может быть одной и той же, однако количество теплоты в первом и во втором случае существенно отличается. Чтобы повысить температуру воды в бассейне на 5 °C, требуется намного больше энергии, чем необходимо для такого же повышения температуры воды в стакане. Дело в том, что объем воды в плавательном бассейне намного больше количества воды в стакане.
Учет калорий
Слово «калории», как правило, ассоциируется с пищей и с учетом этих самых калорий. Так вот, в пище содержится энергия (тепловая). Мера этой энергии — питательная калория (обычно усваиваемая), которая, как правило, измеряется в килокалориях (ккал). Так, съеденная вами сладкая плитка содержит 300 питательных калорий, т.е. 300 ккал, или 300 000 калорий.
Единицей измерения теплоты в СИ является джоуль (Дж). Однако многие продолжают использовать для теплоты метрическую единицу измерения — калорию (кал). Вот как они связаны:
1 калория = 4,184 джоуля.
Калория является достаточно малой единицей измерения — это количество теплоты, необходимое для того, чтобы повысить температуру 1 г воды на 1 °C. Поэтому в качестве единицы измерения теплоты в основном используют килокалорию (ккал), которая равна 1 000 калорий. Если вы полностью сжигаете большую кухонную спичку, то в результате выделяется теплота, равная 1 ккал (1 000 кал).