5.1 Grunnatriði orku

Efnabreytingar og þær orkubreytingar sem þeim fylgja eru mikilvægur hluti af daglegu lífi okkar (mynd 5.2). Orkuefnin í fæðu (prótein, fita og kolvetni) ganga í gegnum efnaskiptahvörf sem veita þá orku sem heldur líkamanum gangandi. Við brennum ýmiss konar eldsneyti (bensíni, jarðgasi, kolum) til að framleiða orku fyrir samgöngur, húshitun og raforkuframleiðslu. Í iðnaði þurfa efnahvörf gríðarmikla orku til að vinna úr hráefnum (svo sem járni og áli). Orkan er síðan nýtt til að breyta þessum hráefnum í gagnlegar vörur eins og bíla, skýjakljúfa og brýr.

Yfir 90% af þeirri orku sem við notum á uppruna sinn í sólinni. Á hverjum degi veitir sólin jörðinni næstum 10.000 sinnum meiri orku en þarf til að mæta allri orkuþörf heimsins þann sólarhringinn. Áskorun okkar felst í því að finna leiðir til að umbreyta og geyma sólarorkuna þannig að nýta megi hana í efnahvörfum eða efnaferlum sem eru bæði hentug og mengunarlaus. Plöntur og fjölmargar bakteríur fanga sólarorku með ljóstillífun. Við leysum úr læðingi orkuna sem geymd er í plöntum þegar við brennum viði eða plöntuafurðum á borð við etanól. Við nýtum þessa orku einnig til að knýja líkama okkar með því að borða fæðu sem kemur beint úr plöntum eða úr dýrum sem fengu orku sína með því að éta plöntur. Bruni kola og jarðolíu leysir einnig geymda sólarorku úr læðingi, enda er það eldsneyti steingerðar leifar plantna og dýra.

Í þessum kafla verða kynntar grunnhugmyndir mikilvægs vísindasviðs sem fjallar um það varmamagn sem tekið er upp eða losnar við efna- og eðlisbreytingar — svið sem kallast varmaefnafræði. Hugtökin sem kynnt eru í þessum kafla eru mikið notuð á nær öllum sviðum vísinda og tækni. Matvælafræðingar nýta þau til að ákvarða orkuinnihald matvæla. Líffræðingar rannsaka orkubúskap lífvera, til dæmis hvernig sykur er brotinn niður í koldíoxíð og vatn í efnaskiptum. Olíu-, gas- og samgönguiðnaðurinn, framleiðendur endurnýjanlegrar orku og margir fleiri leita stöðugt nýrra leiða til að framleiða orku fyrir atvinnulíf og einstaklinga. Verkfræðingar keppast við að bæta orkunýtni, finna betri leiðir til að hita og kæla húsnæði, kæla mat og drykki, og mæta orku- og kæliþörf tölva og rafeindatækja, svo fátt eitt sé nefnt. Skilningur á lögmálum varmaefnafræðinnar er nauðsynlegur efnafræðingum, eðlisfræðingum, líffræðingum, jarðfræðingum, verkfræðingum af öllu tagi og nánast hverjum þeim sem stundar eða lærir einhverja grein vísinda.

Orka

Orka er skilgreind sem geta til að veita varma eða inna af hendi vinnu. Ein tegund vinnu (w) er það ferli að láta efni hreyfast gegn mótverkandi krafti. Til dæmis innum við af hendi vinnu þegar við pumpum í reiðhjólsdekk — við færum efni (loftið í pumpunni) gegn mótverkandi krafti loftsins sem þegar er í dekkinu.

Líkt og efni birtist orka í ýmsum myndum. Ein leið til að flokka hana skiptir orku í tvenns konar: stöðuorku, sem er sú orka sem hlutur hefur vegna afstæðrar stöðu sinnar, samsetningar eða ástands, og hreyfiorku, sem er sú orka sem hlutur býr yfir vegna hreyfingar sinnar. Vatn á brún foss eða stíflu hefur stöðuorku vegna stöðu sinnar; þegar það fellur niður í gegnum rafala öðlast það hreyfiorku sem nýta má til að inna af hendi vinnu og framleiða rafmagn í vatnsaflsvirkjun (mynd 5.3). Rafhlaða hefur stöðuorku vegna þess að efnin í henni geta framleitt rafmagn sem getur innt af hendi vinnu.

Hægt er að umbreyta orku úr einu formi í annað, en öll sú orka sem var til staðar áður en breyting átti sér stað er alltaf til í einhverju formi eftir að breytingunni lýkur. Þessi athugun er orðuð í lögmálinu um varðveislu orkunnar: við efna- eða eðlisbreytingu verður orka hvorki til né eyðist, þótt hún geti breytt um form. (Þetta er jafnframt ein útgáfa af fyrsta lögmáli varmafræðinnar, eins og þú munt læra síðar.)

Þegar einu efni er breytt í annað fylgir því ávallt umbreyting á einu formi orku í annað. Yfirleitt losnar eða binst varmi, en stundum felur umbreytingin í sér ljós, raforku eða eitthvert annað form orku. Til dæmis er efnaorka (eitt form stöðuorku) geymd í þeim sameindum sem mynda bensín. Þegar bensín brennur inni í strokkum bílvélar framleiða ört þenjandi gasafurðir efnahvarfsins vélræna orku (eitt form hreyfiorku) með því að hreyfa stimpla strokkanna.

Samkvæmt lögmálinu um varðveislu efnis (sem fjallað var um í fyrri kafla) verður engin mælanleg breyting á heildarmagni efnis við efnabreytingu. Þegar efnahvörf eiga sér stað eru orkubreytingarnar tiltölulega litlar og massabreytingarnar svo smáar að ekki er unnt að mæla þær; lögmálin um varðveislu efnis og orku gilda því vel. Í kjarnahvörfum eru orkubreytingarnar á hinn bóginn mun meiri (um það bil milljón sinnum stærri), massabreytingarnar mælanlegar og umbreyting milli efnis og orku veruleg. Nánar verður fjallað um þetta í síðari kafla um kjarnaefnafræði.

Varmaorka, hitastig og varmi

Varmaorka er hreyfiorka sem tengist tilviljunarkenndri hreyfingu frumeinda og sameinda. Hitastig er megindlegur mælikvarði á það hversu „heitt“ eða „kalt“ eitthvað er. Þegar frumeindir og sameindir í hlut hreyfast eða titra hratt hafa þær meiri meðalhreyfiorku og þá segjum við að hluturinn sé „heitur“. Þegar frumeindirnar og sameindirnar hreyfast hægt er meðalhreyfiorka þeirra minni og þá segjum við að hluturinn sé „kaldur“ (mynd 5.4). Að því gefnu að hvorki efnahvarf né fasabreyting (svo sem bráðnun eða uppgufun) eigi sér stað hefur aukin varmaorka í efnissýni í för með sér að hitastig þess hækkar. Á sama hátt, ef hvorki efnahvarf né fasabreyting (svo sem þétting eða frysting) á sér stað, leiðir minnkuð varmaorka í efnissýni til þess að hitastig þess lækkar.

Flest efni þenjast út þegar hitastig þeirra hækkar og dragast saman þegar það lækkar. Þennan eiginleika má nýta til að mæla hitastigsbreytingar, eins og sýnt er á mynd 5.5. Virkni margra hitamæla byggist á útþenslu og samdrætti efna sem svar við hitastigsbreytingum.

Varmi (q) er flutningur varmaorku milli tveggja hluta sem hafa mismunandi hitastig. Varmaflæði (sem er reyndar tvítekning, en engu að síður algengt orðalag) eykur varmaorku annars hlutarins en minnkar varmaorku hins. Gerum ráð fyrir að við höfum í upphafi efni (H) með hátt hitastig (og mikla varmaorku) og annað efni (L) með lágt hitastig (og litla varmaorku). Frumeindir og sameindir í H hafa hærri meðalhreyfiorku en þær í L. Ef við látum efni H snerta efni L mun varmaorka flæða sjálfkrafa frá efni H til efnis L. Hitastig efnis H lækkar, ásamt meðalhreyfiorku sameinda þess; hitastig efnis L hækkar á móti, og einnig meðalhreyfiorka sameinda þess. Varmaflæðið heldur áfram þar til bæði efnin hafa náð sama hitastigi (mynd 5.6).

Efni sem gangast undir efnahvörf og eðlisbreytingar geta ýmist losað varma eða tekið hann upp. Breyting sem losar varma kallast útvermið ferli. Til dæmis er brunahvarfið sem á sér stað þegar súrefnis-asetýlenbrennari er notaður útvermið ferli — það losar einnig orku í formi ljóss eins og sést á loga tækisins (mynd 5.7). Efnahvarf eða breyting sem tekur upp varma er innvermið ferli. Kælipoki sem notaður er til að meðhöndla vöðvatognun er dæmi um innvermið ferli. Þegar efnin í kælipokanum (vatn og salt á borð við ammóníumnítrat) blandast saman tekur ferlið upp varma, sem veldur kuldatilfinningu.

Áður fyrr var orka mæld í einingunni kaloría (cal). Ein kaloría er sú orka sem þarf til að hita eitt gramm af vatni um 1 gráðu á Celsíus (1 kelvin). Þetta magn er þó háð loftþrýstingi og upphafshitastigi vatnsins. Þar sem auðvelt er að mæla orkubreytingar í kaloríum er einingin enn mikið notuð. Kaloría (með stóru K), eða stórkaloría, sem oft er notuð til að mæla orkuinnihald matvæla, er í raun kílókaloría. SI-einingin fyrir varma, vinnu og orku er júl (joule). Eitt júl (J) er skilgreint sem sú orka sem fer í að hreyfa hlut um 1 metra með 1 njútons krafti. Einingin er kennd við enska eðlisfræðinginn James Prescott Joule. Eitt júl jafngildir 1 kg·m²/s², sem einnig nefnist 1 njútonmetri. Eitt kílójúl (kJ) er 1.000 júl. Til að staðla skilgreininguna hefur 1 kaloría verið fest við 4,184 júl.

Hér verða kynnt tvö hugtök sem gagnast vel við að lýsa varmaflæði og hitastigsbreytingum. Varmarýmd (C) hlutar er það varmamagn (q) sem hann tekur upp eða losar þegar hitastig hans breytist (ΔT) um 1 gráðu á Celsíus (eða því sem jafngildir, 1 kelvin):

Varmarýmd ræðst bæði af tegund og magni þess efnis sem tekur upp eða losar varma. Hún er því magnbundinn eiginleiki — gildi hennar er í réttu hlutfalli við efnismagnið.

Tökum sem dæmi varmarýmd tveggja steikarpanna úr steypujárni. Varmarýmd stóru pönnunnar er fimm sinnum meiri en þeirrar litlu. Þótt báðar séu úr sama efni er massi stóru pönnunnar fimm sinnum meiri en massi þeirrar litlu; meiri massi þýðir að fleiri frumeindir eru í stærri pönnunni og því þarf meiri orku til að láta þær allar titra hraðar. Varmarýmd litlu steypujárnspönnunnar fæst með því að mæla hve mikla orku þarf til að hækka hitastig hennar um 50,0 °C — það reynist vera 18.140 J:

Stærri steypujárnspannan, þótt hún sé úr sama efni, þarfnast 90.700 J af orku til að hækka hitastig sitt um 50,0 °C. Stærri pannan hefur (hlutfallslega) meiri varmarýmd vegna þess að meira efnismagn þarfnast (hlutfallslega) meiri orku til að ná sömu hitastigsbreytingu:

Eðlisvarmarýmd (c) efnis, oftast kölluð „eðlisvarmi“ þess, er það varmamagn sem þarf til að hækka hitastig 1 gramms af efninu um 1 gráðu á Celsíus (eða 1 kelvin):

Eðlisvarmarýmd ræðst eingöngu af tegund þess efnis sem tekur upp eða losar varma. Hún er eðlisbundinn eiginleiki — tegund efnisins skiptir öllu máli, en ekki magnið. Til dæmis hefur litla steypujárnspannan massann 808 g. Eðlisvarmi járns (þess efnis sem pannan er gerð úr) er því:

Stóra steikarpannan hefur massann 4040 g. Með því að nota gögnin fyrir þessa pönnu getum við einnig reiknað út eðlisvarma járns:

Þótt stóra pannan sé massameiri en sú litla gefa þær báðar sama gildi fyrir eðlisvarma (fyrir smíðaefnið, járn), enda eru báðar gerðar úr sama efni. Takið eftir að eðlisvarmi er mældur í einingum orku á massa og hitastig og er eðlisbundinn eiginleiki, enda er hann leiddur út af hlutfalli tveggja magnbundinna eiginleika (varma og massa). Mólvarmarýmd, sem einnig er eðlisbundinn eiginleiki, er varmarýmd á mól af tilteknu efni og hefur eininguna J/mól °C (mynd 5.8).

Vatn hefur tiltölulega háan eðlisvarma (um 4,2 J/g °C fyrir vökvann og 2,09 J/g °C fyrir fasta efnið); flestir málmar hafa mun lægri eðlisvarma (yfirleitt minna en 1 J/g °C). Eðlisvarmi efnis er dálítið breytilegur eftir hitastigi. Sá breytileiki er þó venjulega svo lítill að við munum líta á eðlisvarmann sem fastastærð yfir það hitastigsbil sem fjallað er um í þessum kafla. Eðlisvarmi nokkurra algengra efna er sýndur í töflu 5.1.

Ef við þekkjum massa efnis og eðlisvarma þess getum við ákvarðað það varmamagn, q, sem efnið tekur við eða gefur frá sér. Það er gert með því að mæla hitastigsbreytingu efnisins fyrir og eftir að varmi er tekinn upp eða tapast:

Í þessari jöfnu er c eðlisvarmi efnisins, m er massi þess og ΔT (sem lesið er „delta T“) er hitastigsbreytingin, T_loka − T_upph . Ef efni tekur upp varmaorku hækkar hitastig þess; lokahitastigið er hærra en upphafshitastigið, T_loka − T_upph er jákvætt og gildi q verður jákvætt. Ef efni tapar varmaorku lækkar hitastig þess; lokahitastigið er lægra en upphafshitastigið, T_loka − T_upph er neikvætt og gildi q verður neikvætt.

Takið eftir að sambandið milli varma, eðlisvarma, massa og hitastigsbreytingar má nota til að ákvarða hverja þessara stærða (ekki einungis varma) ef hinar þrjár eru þekktar eða unnt er að leiða þær út.