กระบวนการคายความร้อน (อุณหพลศาสตร์)

ระวังสับสนกับ สัตว์เลือดเย็น

การระเบิดถือเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนที่รุนแรงที่สุดอย่างหนึ่ง

กระบวนการคายความร้อน (จาก กรีกโบราณ έξω (éxō)หมายถึง "ออกสู่ภายนอก", และ θερμικός (thermikós)หมายถึง "เกี่ยวกับความร้อน") ใน อุณหพลศาสตร์ เป็น กระบวนการอุณหพลศาสตร์ หรือ ปฏิกิริยาเคมี ที่ปล่อย พลังงาน จากระบบออกสู่ สิ่งแวดล้อม มักจะอยู่ในรูปของ ความร้อน แต่ยังอาจอยู่ในรูปของ แสง (เช่น ประกายไฟ เปลวไฟ หรือแฟลช), ไฟฟ้า (เช่น แบตเตอรี่), หรือ เสียง (เช่น เสียงระเบิดที่เกิดขึ้นเมื่อเผาไฮโดรเจน) คำว่า "คายความร้อน" ถูกใช้ครั้งแรกโดยนักเคมีชาวฝรั่งเศสในศตวรรษที่ 19 มาร์เซแล็ง แบร์เตโลต์

ตรงข้ามกับกระบวนการคายความร้อนคือกระบวนการ ดูดความร้อน ซึ่งจะดูดซับพลังงาน มักอยู่ในรูปของความร้อน แนวคิดนี้มักใช้ใน วิทยาศาสตร์กายภาพ กับ ปฏิกิริยาเคมี ที่พลังงาน พันธะเคมี ถูกแปลงเป็น พลังงานความร้อน (ความร้อน)

ปฏิกิริยาเคมีสองประเภท

ปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน และ แบบดูดความร้อน เป็นการอธิบายถึงปฏิกิริยาเคมีหรือระบบสองประเภทที่พบในธรรมชาติ ดังนี้:

ปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน

ปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน เกิดขึ้นเมื่อมีการปล่อยความร้อนออกสู่สิ่งแวดล้อม ตามที่ สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ ได้กำหนดไว้ ปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อน คือ "ปฏิกิริยาที่การเปลี่ยนแปลง เอนทาลปี มาตรฐานโดยรวม ΔH⚬ มีค่าเป็นลบ" ตัวอย่างของกระบวนการ Exothermic ได้แก่ การเผาไหม้เชื้อเพลิง, การควบแน่น และ การแบ่งแยกนิวเคลียส, ซึ่งใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เพื่อปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา

ปฏิกิริยาเคมีแบบดูดความร้อน

ในปฏิกิริยาแบบดูดความร้อน หรือระบบที่เกิด ปฏิกิริยาเคมีแบบดูดความร้อน พลังงานจะถูกดึงจากสิ่งแวดล้อมในระหว่างกระบวนการ โดยมักจะเกิดจากการเพิ่มขึ้นของ เอนทาลปี ที่เอื้ออำนวยในระบบ ตัวอย่างของปฏิกิริยาเคมีแบบดูดความร้อน คือชุดทำความเย็นสำหรับปฐมพยาบาล ในการที่สารเคมีสองชนิดทำปฏิกิริยากันหรือการละลายของสารชนิดหนึ่งในอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งต้องการพลังงานแคลอรีจากสิ่งแวดล้อม และทำให้เกิดการดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อม ทำให้ถุงและสิ่งแวดล้อมเย็นลง

การสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นกระบวนการที่ช่วยให้พืชสามารถเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้กลายเป็นน้ำตาลและออกซิเจนได้ โดยเป็นกระบวนการดูดความร้อน ที่พืชจะดูดซับพลังงานรังสีจากดวงอาทิตย์และใช้พลังงานนี้ในกระบวนการดูดความร้อน ที่มิฉะนั้นจะไม่เกิดขึ้นเอง กระบวนการนี้เก็บพลังงานเคมีไว้ ซึ่งสามารถปลดปล่อยออกมาได้ด้วยกระบวนการย้อนกลับ (เกิดขึ้นเอง) เช่น การเผาไหม้ของน้ำตาล ซึ่งจะได้คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และความร้อน (พลังงานรังสี)

การปลดปล่อยพลังงาน

ปฏิกิริยาคายความร้อน (Exothermic) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงในระบบปิดที่ปลดปล่อยพลังงาน (ความร้อน) ออกสู่สิ่งแวดล้อม โดยแสดงในรูปสมการว่า

$Q>0.$

เมื่อการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นที่ ความดันคงที่ และไม่มีการแลกเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้า ความร้อน Q จะเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของเอนทัลปี นั่นคือ

$\Delta H<0,$

ขณะที่ใน ปริมาตรคงที่ ตามกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ มันจะเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของ พลังงานภายใน (U) นั่นคือ

$\Delta U=Q+0>0.$

ในระบบ อะเดียแบติก (ระบบที่ไม่แลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม) ปฏิกิริยาที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนจะส่งผลให้อุณหภูมิของระบบเพิ่มขึ้น

ในปฏิกิริยาเคมีที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ความร้อนที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาจะอยู่ในรูปของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าหรือพลังงานจลน์ของโมเลกุล การเคลื่อนย้ายของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่งจะทำให้มีการปลดปล่อยแสงออกมา แสงนี้จะมีพลังงานเทียบเท่ากับพลังงานเสถียรภาพบางส่วนของปฏิกิริยาเคมี กล่าวคือ พลังงานพันธะ แสงที่ปลดปล่อยออกมานี้สามารถถูกดูดซับโดยโมเลกุลอื่น ๆ ในสารละลาย ทำให้เกิดการเคลื่อนที่และการหมุนของโมเลกุล ซึ่งนำไปสู่ความเข้าใจแบบดั้งเดิมของความร้อน ในปฏิกิริยาคายความร้อน พลังงานกระตุ้น (พลังงานที่จำเป็นในการเริ่มต้นปฏิกิริยา) จะน้อยกว่าพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาภายหลัง จึงทำให้มีการปลดปล่อยพลังงานสุทธิออกมา

ตัวอย่าง

ปฏิกิริยาเทอร์ไมต์แบบคายความร้อนโดยใช้เหล็ก (III) ออกไซด์ ประกายไฟที่พุ่งออกมาเป็นก้อนเหล็กหลอมเหลวที่ทิ้งควันไว้ข้างหลัง

ตัวอย่างของกระบวนการคายความร้อน ได้แก่:

• การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง เช่น ไม้, ถ่านหิน และ น้ำมัน/ปิโตรเลียม
• ปฏิกิริยา เทอร์ไมต์
• ปฏิกิริยาของโลหะแอลคาไลและโลหะอื่น ๆ ที่มีอิเล็กโทรโพสิทิฟสูงกับน้ำ
• การควบแน่นของฝนจากไอน้ำ
• การผสมระหว่างน้ำและกรดแก่หรือเบสแก่
• ปฏิกิริยาระหว่างกรดและเบส
• การคายน้ำของคาร์โบไฮเดรตโดยกรดซัลฟูริก
• การตั้งตัวของซีเมนต์และคอนกรีต
• ปฏิกิริยาบางอย่างของการเกิดพอลิเมอไรเซชัน เช่น การตั้งตัวของอีพ็อกซีเรซิน
• ปฏิกิริยาของโลหะส่วนใหญ่กับฮาโลเจนหรือออกซิเจน
• นิวเคลียร์ฟิวชันในระเบิดไฮโดรเจนและในแกนของดวงดาว (จนถึงเหล็ก)
• นิวเคลียร์ฟิชชันของธาตุหนัก
• ปฏิกิริยาระหว่างสังกะสีและกรดไฮโดรคลอริก
• การหายใจ (การสลายตัวของกลูโคสเพื่อปลดปล่อยพลังงานในเซลล์)

ข้อพิจารณาสำหรับปฏิกิริยาเคมี

บทความหลัก: ปฏิกิริยาคายความร้อน

ปฏิกิริยาเคมีที่คายความร้อน มักมีแนวโน้มที่จะเป็นไปตามธรรมชาติมากกว่าปฏิกิริยาที่ดูดความร้อนซึ่งเป็นปฏิกิริยาทางเคมีแบบดูดความร้อน

ในปฏิกิริยาเคมีที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ความร้อนอาจถูกระบุเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา