Экзотермический процесс - это химическая реакция или физический процесс, в ходе которого выделяется тепловая энергия. Другими словами, происходит выделение тепла из системы в окружающую среду. Рассмотрим подробнее, что это такое.
Определение экзотермического процесса
В термодинамике экзотермический процесс - это процесс, сопровождающийся выделением энергии из системы в окружающую среду. Это может происходить в виде:
- Тепловой энергии (тепла)
- Световой энергии (искра, пламя, вспышка)
- Электрической энергии (разряд батарейки)
- Звуковой энергии (взрыв)
То есть в ходе экзотермического процесса система отдает часть своей внутренней энергии вовне, охлаждаясь при этом.
Примеры экзотермических процессов
Экзотермические процессы встречаются в природе, промышленности и в быту. Вот несколько распространенных примеров:
-
Горение. Любая реакция горения является экзотермической - будь то горящая свеча, костер или работа двигателя внутреннего сгорания в автомобиле. При горении выделяется тепло и свет.
-
Разложение перекиси водорода. Когда перекись водорода разлагается на воду и кислород, происходит бурная экзотермическая реакция с выделением тепла и пузырьков газа:
H2O2 → H2O + O2 + Q
-
Термитная реакция. Это одна из самых "горячих" экзотермических реакций, используемая при сварке рельсов. При соединении алюминия с оксидом железа выделяется колоссальное количество тепла до 3000°С.
Кроме того, к экзотермическим относятся многие биохимические процессы - брожение, дыхание, пищеварение. Они протекают с выделением энергии в живых организмах.
Отличие от эндотермических процессов
Экзотермический и эндотермический процессы - это два противоположных типа реакций по тепловому эффекту. В чем их отличие?
| Экзотермический процесс | Эндотермический процесс |
| Выделяет тепло в окружающую среду | Поглощает тепло из окружающей среды |
| Температура системы понижается | Температура системы повышается |
| Энтальпия продуктов ниже, чем реагентов | Энтальпия продуктов выше, чем реагентов |
| Протекает самопроизвольно | Требует подвода энергии извне |
Таким образом, если экзотермический процесс идет с выделением тепла, то эндотермический - с поглощением. Пример эндотермической реакции - растворение соды в воде для получения холодного напитка. Фотосинтез растений также эндотермичен.
В чем применяются экзотермические процессы?
На практике экзотермические реакции используются там, где необходим источник тепла. Это могут быть:
- Системы отопления (газовые котлы)
- Химические источники тока (батарейки, аккумуляторы)
- Твердотопливные ракетные двигатели
- Пиротехника (фейерверки)
- Саморазогревающаяся упаковка для пищевых продуктов и напитков
- Тепловые пакеты для обогрева рук
- Газовые и жидкотопливные горелки
Экзотермическое горение используется практически везде, где нужно получить тепло - для приготовления пищи, обогрева жилья, выработки электроэнергии на ТЭС и так далее. При производстве цемента, стали применяются высокотемпературные экзотермические реакции.
Экзотермический процесс при горении метана
Рассмотрим на примере, что происходит при экзотермическом процессе горения. Возьмем реакцию горения метана - основного компонента природного газа:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q
Здесь метан в присутствии кислорода воздуха окисляется с образование углекислого газа и водяного пара. При этом выделяется тепловая энергия Q. Это и есть тепловой эффект экзотермической реакции.
Особенности данного процесса:
- Происходит с выделением большого количества теплоты, которую можно использовать для обогрева или получения энергии.
- Не требуется подводить энергию извне, реакция протекает самопроизвольно.
- При горении метана понижается температура исходных веществ и повышается температура продуктов реакции.
Такой экзотермический процесс горения метана широко используется в промышленных масштабах для получения тепла в газовых котельных и на ТЭЦ.
В быту при сжигании газа на плите также происходит аналогичный экзотермический процесс, обеспечивающий нагрев посуды и приготовление пищи.
Применение экзотермических реакций в промышленности
Экзотермические процессы широко используются в различных отраслях промышленности благодаря высоким температурам, возникающим при их протекании.
Например, в металлургии применяют экзотермическое горение для получения расплавов металлов. В черной металлургии при выплавке чугуна и стали используют окислительно-восстановительные реакции с участием кокса, железной руды и флюсов. Эти процессы сопровождаются выделением большого количества теплоты, необходимой для плавки.
Экзотермические реакции в нефтехимии
В нефтехимической отрасли также применяют различные экзотермические процессы. Один из примеров - паровая конверсия метана для получения водорода:
CH4 + H2O → CO + 3H2 + Q
Это сильно экзотермическая реакция, идущая при температуре около 700°С с выделением теплоты. В результате образуется смесь оксида углерода и водорода - синтез газ.
Применение катализаторов
Для оптимизации скорости протекания экзотермических реакций часто используются катализаторы. Они позволяют ускорить химическое превращение в десятки и сотни раз.
Катализаторы работают за счет процесса адсорбции - поглощения молекул реагентов на поверхности катализатора и облегчения разрыва старых и образования новых связей.
Благодаря катализаторам можно получать нужные продукты экзотермических реакций с более высоким выходом и при более низких температурах.
Тепловые эффекты при фазовых переходах
Помимо химических реакций, экзотермический и эндотермический процессы могут протекать и при физических явлениях - таких как фазовые переходы веществ.
Например, кристаллизация вещества из расплава или пара является экзотермическим процессом. При этом выделяется теплота фазового перехода, и температура кристаллизующегося вещества понижается.
А вот плавление кристаллических веществ или испарение жидкостей - эндотермические процессы, требующие затрат тепловой энергии.
Тепловые машины на основе экзотермических реакций
Высокий тепловой эффект ряда экзотермических реакций позволяет использовать их в качестве источников энергии в тепловых двигателях.
Например, в стартерных батареях для запуска автомобилей в зимнее время используется экзотермическая реакция взаимодействия порошков цинка и оксида марганца. При смешивании порошков возникает саморазогрев do температуры около 500°С.
Также разрабатываются химические тепловые машины многоразового действия, использующие обратимые экзо- и эндотермические реакции циклически. Это позволит накапливать энергию в химической форме.
