Quá trình giải phóng nhiệt

Trong lĩnh vực nhiệt động lực học, thuật ngữ quá trình giải phóng nhiệt dùng để chỉ các quá trình hoặc phản ứng mà trong đó năng lượng được thải ra từ hệ thống ra môi trường xung quanh, thường dưới dạng nhiệt, cũng như ánh sáng (như tia lửa, ngọn lửa hay đèn flash), điện (như từ pin), hoặc âm thanh (như tiếng nổ khi đốt hydro). Thuật ngữ giải phóng nhiệt (exothermic) lần đầu tiên được Marcellin Berthelot sử dụng. Nguồn gốc của nó bắt nguồn từ tiền tố tiếng Hy Lạp έξω (exō, nghĩa là 'ra ngoài') và từ tiếng Hy Lạp θερμικός (thermikόs, nghĩa là 'nhiệt'). Đối nghịch với quá trình giải phóng nhiệt là quá trình hấp thụ nhiệt (endothermic), tức là quá trình thu nhận năng lượng dưới dạng nhiệt.

Khái niệm này thường được áp dụng trong vật lý cho các phản ứng hóa học, trong đó năng lượng liên kết hóa học sẽ được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt.

Quá trình giải phóng nhiệt (và hấp thụ nhiệt) mô tả hai loại phản ứng hóa học hoặc hệ thống có mặt trong tự nhiên, như sau:

Nói một cách đơn giản, sau khi xảy ra một phản ứng tỏa nhiệt, lượng năng lượng giải phóng ra môi trường xung quanh thường lớn hơn so với năng lượng được hấp thụ để khởi động và duy trì phản ứng. Một ví dụ điển hình là việc đốt cháy một ngọn nến, trong đó tổng số calo phát sinh từ quá trình đốt cháy (được xác định thông qua sự tỏa nhiệt của môi trường xung quanh và ánh sáng phát ra, bao gồm cả sự tăng nhiệt độ của nhiên liệu (sáp) khi phản ứng với oxy để tạo thành CO₂ và hơi nước) nhiều hơn lượng calo cần thiết để thắp sáng ngọn lửa và duy trì nó. (Nghĩa là, một phần năng lượng từ quá trình đốt cháy được tái sử dụng trong các bước như làm nóng chảy, sau đó bay hơi sáp, nhưng năng lượng tạo ra từ việc phá vỡ liên kết carbon-hydro và kết hợp oxy với carbon và hydro lại lớn hơn nhiều).

Ngược lại, trong một phản ứng thu nhiệt hoặc hệ thống hấp thụ nhiệt, năng lượng được lấy từ môi trường xung quanh trong suốt quá trình phản ứng. Một ví dụ về phản ứng thu nhiệt là túi lạnh trong sơ cứu, trong đó sự tương tác giữa hai hóa chất, hoặc quá trình hòa tan, cần calo từ môi trường xung quanh, và phản ứng này làm mát túi và môi trường bằng cách hấp thụ nhiệt từ chúng. Quá trình quang hợp cũng là một dạng thu nhiệt: cây hấp thụ năng lượng bức xạ từ ánh sáng mặt trời, sử dụng nó trong các phản ứng thu nhiệt (không tự phát) như tách CO₂ và H₂O, và kết hợp carbon và hydro để tạo ra cellulose cùng các hợp chất hữu cơ khác. Những sản phẩm này, dưới dạng gỗ, sau đó có thể được đốt trong lò sưởi, giải phóng nhiệt, tạo ra CO₂ và nước, và phát tán năng lượng dự trữ dưới dạng nhiệt và ánh sáng cho môi trường xung quanh, ví dụ như bên trong nhà và các ống khói.

Năng lượng giải phóng

Quá trình tỏa nhiệt diễn tả sự chuyển biến mà trong đó một hệ thống kín phát ra năng lượng (nhiệt) cho môi trường xung quanh, với công thức

Q < 0.

Khi quá trình chuyển đổi diễn ra ở áp suất không đổi và không có sự trao đổi năng lượng điện, nhiệt năng Q sẽ bằng sự thay đổi entanpi:

∆H < 0,

Trong khi đó, ở thể tích không đổi, theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, nó cũng bằng sự thay đổi nội năng, hay:

∆U = Q + 0 < 0.

Trong một hệ thống cô lập nhiệt (tức là không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh), nếu xảy ra một quá trình tỏa nhiệt thì sẽ dẫn đến việc tăng nhiệt độ của hệ thống.

Trong các phản ứng hóa học tỏa nhiệt, nhiệt lượng phát ra từ phản ứng dưới dạng năng lượng điện từ hoặc động năng của các phân tử. Sự chuyển giao mức năng lượng lượng tử của các electron dẫn đến sự phát ra ánh sáng (photon). Ánh sáng này tương đương về năng lượng với một phần năng lượng ổn định hóa cho phản ứng hóa học, hay năng lượng liên kết, và sau khi phát ra, nó có thể được hấp thụ bởi các phân tử khác trong dung dịch, tạo ra chuyển động tịnh tiến và quay của các phân tử, từ đó sinh ra nhiệt theo cách hiểu cổ điển. Trong phản ứng tỏa nhiệt, năng lượng cần thiết để khởi phát phản ứng thấp hơn năng lượng cuối cùng được giải phóng, vì vậy tổng thể sẽ có sự giải phóng năng lượng.

Ví dụ

Một số ví dụ về quá trình tỏa nhiệt bao gồm:

• Sự cháy của các nhiên liệu như gỗ, than đá và xăng/dầu
• Phản ứng nhiệt nhôm
• Phản ứng của các kim loại kiềm và các kim loại có độ âm điện thấp khác với nước
• Sự ngưng tụ của mưa từ hơi nước
• Pha nước với axit mạnh hoặc bazơ mạnh
• Phản ứng giữa axit và bazơ
• Phản ứng của cacbohydrat với axit sunfuric
• Pha vôi sống với nước để tạo ra vôi tôi
• Sự kết cứng của xi măng và bê tông
• Một số phản ứng trùng hợp như sự kết cứng của nhựa epoxy
• Phản ứng của hầu hết kim loại với halogen hoặc oxy
• Phản ứng nhiệt hạch trong bom khinh khí hoặc trong lõi sao (trở thành sắt)
• Phản ứng phân hạch của các nguyên tố nặng
• Phản ứng giữa kẽm và axit clohydric
• Sự hô hấp tế bào (sự phân giải phân tử glucose để giải phóng năng lượng trong tế bào)

Kết quả liên quan đến phản ứng hóa học

Các phản ứng hóa học tỏa nhiệt thường xảy ra tự phát hơn so với quá trình ngược lại là phản ứng thu nhiệt.

Trong các phản ứng hóa học tỏa nhiệt, nhiệt lượng giải phóng có thể được ghi chú cùng với các sản phẩm của phản ứng.

• Nhiệt động học hóa học
• Phân tích nhiệt quét vi sai
• Phản ứng tiêu thụ công
• Phản ứng thu nhiệt
• Quá trình phát công
• Phản ứng phát công
• Phản ứng tỏa nhiệt

Các liên kết bên ngoài

• http://chemistry.about.com/b/a/184556.htm Lưu trữ ngày 22-05-2006 tại Wayback Machine. Quan sát các phản ứng tỏa nhiệt qua một thí nghiệm đơn giản