В термодинамике экзотермический процесс (от древнегреческого έξω ( éxō ) «наружу» и θερμικός ( thermikós ) «тепловой») [1] — это термодинамический процесс или реакция , которая высвобождает энергию из системы в окружающую среду [2] обычно в форме тепла , но также в форме света (например, искры, пламени или вспышки), электричества (например, батареи) или звука (например, взрыва, слышимого при сжигании водорода). Термин экзотермический был впервые введен французским химиком 19 века Марселеном Бертло . [3]
Противоположностью экзотермическому процессу является эндотермический процесс, который поглощает энергию, обычно в форме тепла. [2] Эта концепция часто применяется в физических науках к химическим реакциям , где энергия химической связи преобразуется в тепловую энергию (тепло).
Экзотермические и эндотермические описывают два типа химических реакций или систем, встречающихся в природе, а именно:
Экзотермическая реакция происходит, когда тепло выделяется в окружающую среду. Согласно ИЮПАК , экзотермическая реакция — это «реакция, для которой общее стандартное изменение энтальпии Δ H ⚬ отрицательно». [4] Некоторые примеры экзотермических процессов — это сжигание топлива , конденсация и ядерное деление , [5] которое используется на атомных электростанциях для высвобождения большого количества энергии. [6]
В эндотермической реакции или системе энергия берется из окружающей среды в ходе реакции, обычно за счет благоприятного увеличения энтропии в системе. [7] Примером эндотермической реакции является охлаждающий пакет первой помощи, в котором реакция двух химических веществ или растворение одного в другом требует калорий из окружающей среды, а реакция охлаждает пакет и окружающую среду, поглощая из них тепло. [8]
Фотосинтез , процесс, который позволяет растениям преобразовывать углекислый газ и воду в сахар и кислород, является эндотермическим процессом: растения поглощают лучистую энергию солнца и используют ее в эндотермическом, иначе не спонтанном процессе. Сохраненная химическая энергия может быть освобождена обратным (спонтанным) процессом: сгоранием сахара, которое дает углекислый газ, воду и тепло (лучистую энергию). [9]
Экзотермический процесс относится к превращению, при котором закрытая система выделяет энергию (тепло) в окружающую среду, что выражается формулой
Когда превращение происходит при постоянном давлении и без обмена электрической энергией , тепло Q равно изменению энтальпии , т.е.
в то время как при постоянном объеме , согласно первому закону термодинамики, это равно изменению внутренней энергии ( U ), т.е.
В адиабатической системе (т.е. системе, которая не обменивается теплом с окружающей средой) экзотермический процесс приводит к повышению температуры системы. [11]
В экзотермических химических реакциях тепло, которое выделяется в ходе реакции, принимает форму электромагнитной энергии или кинетической энергии молекул. [12] Переход электронов с одного квантового энергетического уровня на другой вызывает выделение света. Этот свет эквивалентен по энергии некоторой части энергии стабилизации энергии для химической реакции, т. е. энергии связи . Этот выделяющийся свет может быть поглощен другими молекулами в растворе, что приводит к молекулярным перемещениям и вращениям, что приводит к классическому пониманию тепла. В экзотермической реакции энергия активации (энергия, необходимая для начала реакции) меньше энергии, которая впоследствии выделяется, поэтому происходит чистое выделение энергии. [13]
Вот некоторые примеры экзотермических процессов: [14]
Химические экзотермические реакции, как правило, более спонтанны, чем их аналоги, эндотермические реакции . [16]
В термохимической реакции, которая является экзотермической, тепло может быть указано среди продуктов реакции.
