Химическая энергия — это энергия химических веществ , которая высвобождается, когда вещества подвергаются химической реакции и преобразуются в другие вещества. Некоторые примеры носителей химической энергии включают батареи, [1] продукты питания и бензин (а также кислородный газ, который обладает высокой химической энергией из-за своей относительно слабой двойной связи [2] и необходим для высвобождения химической энергии при сгорании бензина). [3] [4] Разрыв и повторное создание химических связей включает энергию , которая может быть либо поглощена, либо выделена из химической системы. Если реагенты с относительно слабыми связями электронных пар преобразуются в более прочно связанные продукты, высвобождается энергия. [5] Следовательно, относительно слабо связанные и нестабильные молекулы хранят химическую энергию. [2]
Энергия, которая может быть выделена или поглощена в результате реакции между химическими веществами, равна разнице между энергетическим содержанием продуктов и реагентов, если начальная и конечная температуры одинаковы. Это изменение энергии можно оценить из энергий связи реагентов и продуктов. Его также можно рассчитать из , внутренней энергии образования молекул реагентов , и , внутренней энергии образования молекул продуктов. Изменение внутренней энергии химического процесса равно теплообмену, если оно измеряется в условиях постоянного объема и равных начальной и конечной температуры, как в закрытом контейнере, таком как калориметрическая бомба . Однако в условиях постоянного давления, как в реакциях в сосудах, открытых для атмосферы, измеренное изменение тепла не всегда равно изменению внутренней энергии, поскольку работа давления-объема также выделяет или поглощает энергию. (Изменение тепла при постоянном давлении равно изменению энтальпии , в данном случае энтальпии реакции , если начальная и конечная температуры равны).
Связанный термин — теплота сгорания , которая представляет собой энергию, в основном слабых двойных связей молекулярного кислорода [4] [6], высвобождаемую в результате реакции горения и часто применяемую при изучении топлива . Пища похожа на углеводородное и углеводное топливо, и когда она окисляется до углекислого газа и воды, высвобождаемая энергия аналогична теплоте сгорания (хотя оценивается иначе, чем для углеводородного топлива — см. энергия пищи ).
Химическая потенциальная энергия — это форма потенциальной энергии, связанная со структурным расположением атомов или молекул. Это расположение может быть результатом химических связей внутри молекулы или взаимодействий между ними. Химическая энергия химического вещества может быть преобразована в другие формы энергии посредством химической реакции . Например, когда топливо сжигается, химическая энергия молекулярного кислорода и топлива преобразуется в тепло. [4] Зеленые растения преобразуют солнечную энергию в химическую энергию (в основном кислорода) посредством процесса фотосинтеза , а электрическая энергия может быть преобразована в химическую энергию и наоборот посредством электрохимических реакций.
Похожий термин химический потенциал используется для обозначения потенциала вещества претерпевать изменение конфигурации, будь то в форме химической реакции, пространственного переноса, обмена частицами с резервуаром и т. д. Это не форма потенциальной энергии как таковой, но более тесно связана со свободной энергией . Путаница в терминологии возникает из-за того, что в других областях физики, где не доминирует энтропия, вся потенциальная энергия доступна для выполнения полезной работы и заставляет систему спонтанно претерпевать изменения конфигурации, и, таким образом, нет различия между «свободной» и «несвободной» потенциальной энергией (отсюда и одно слово «потенциал»). Однако в системах с большой энтропией, таких как химические системы, общее количество присутствующей энергии (и сохраняющейся в соответствии с первым законом термодинамики ), частью которой является эта химическая потенциальная энергия, отделено от количества этой энергии — термодинамической свободной энергии (из которой выводится химический потенциал ), — которая (по-видимому) спонтанно движет систему вперед по мере увеличения глобальной энтропии (в соответствии со вторым законом ).
