Термохими: Дулаан ба химийн урвалын цаад шинжлэх ухаан
Термохими нь химийн урвал болон физик өөрчлөлтүүд дагалддаг энергийн өөрчлөлт, ялангуяа дулааны энергийг судалдаг химийн салбар юм. Үндсэндээ термохими нь дулааны хэлбэрээр энерги нэг системээс нөгөө системд хэрхэн шилждэг, эдгээр энергийн өөрчлөлт нь энтальпи, энтропи, химийн тэнцвэрт байдалд хэрхэн нөлөөлдөг болохыг судалдаг. Энэхүү шинжлэх ухаан нь янз бүрийн үйлдвэрлэлийн процессууд, бие махбод дахь биохимийн урвалууд, энергийн өөрчлөлттэй холбоотой байгалийн үзэгдлүүдийг ойлгоход чухал ач холбогдолтой юм.
Термохимийн үндсэн зарчмууд
1. Химийн урвалын энерги
Термохимийн энергийг ихэвчлэн химийн урвалын үед системээс ялгарч буй эсвэл шингээж буй дулааны хэлбэрээр хэмждэг. Химийн урвалыг энергийн өөрчлөлтөөс нь хамааран хоёр ангилалд хувааж болно: экзотермик ба эндотермик. Экзотермик урвал нь түлшний шаталт гэх мэт хүрээлэн буй орчинд дулаан ялгаруулдаг. Нөгөөтэйгүүр, эндотермик урвал нь ургамал дахь фотосинтез гэх мэт орчноос дулааныг шингээдэг.
2. Термодинамикийн нэгдүгээр хууль
Энэхүү хууль буюу энерги хадгалагдах хууль нь энергийг бий болгож эсвэл устгаж болохгүй гэж заасан байдаг. Үүний оронд энергийг зөвхөн нэг хэлбэрээс нөгөө хэлбэрт хувиргаж болно. Практикт химийн урвал эсвэл физик процессын үед систем болон түүний эргэн тойрон дахь нийт энергийн хэмжээ тогтмол хэвээр байна. Энэ хууль нь хэрэв систем дулааны хэлбэрээр зарим энергиэ алдвал хүрээлэн буй орчин алдагдсан дулааныг хүлээн авах бөгөөд эсрэгээрээ гэдгийг харуулж байна.
3. Энтальпи (H)
Энтальпи гэдэг нь системийн нийт энергийн хэмжүүр бөгөөд үүнд дотоод энерги болон даралт, эзэлхүүн, температур орно. Химийн урвалын үед энтальпийн өөрчлөлт (ΔH) нь систем дулаан ялгаруулж байгаа эсвэл шингээж байгаа эсэхийг харуулдаг. Хэрэв ΔH утга сөрөг байвал урвал нь экзотермик, хэрэв утга нь эерэг байвал урвал нь эндотермик байна. Химичид тодорхой нөхцөлд ямар урвалууд аяндаа явагдах магадлал өндөр болохыг урьдчилан таамаглахын тулд ихэвчлэн энтальпи ашигладаг.
Термохимийн туршилтын арга
Химийн урвалын дулааны өөрчлөлтийг хэмжихийн тулд эрдэмтэд калориметр гэж нэрлэгддэг төхөөрөмжийг ашигладаг. Калориметр гэдэг нь химийн болон физик процесст ялгарч буй эсвэл шингээгдсэн дулааны хэмжээг хэмжих зориулалттай төхөөрөмж юм. Энгийн калориметрээс эхлээд илүү төвөгтэй бөмбөгний калориметр хүртэл хэд хэдэн төрлийн калориметр байдаг.
1. Энгийн калориметр
Энгийн калориметр нь химийн урвал явагддаг ус агуулсан тусгаарлагдсан сав юм. Урвал явагдах үед дулаан ялгардаг эсвэл шингээгддэг бөгөөд энэ нь усны температурын өөрчлөлтөд хүргэдэг. Энэхүү температурын өөрчлөлтийг хэмжиж, усны хувийн дулаан багтаамжийг мэдсэнээр урвалд оролцох дулааны хэмжээг тооцоолж болно.
2. Бөмбөгний калориметр
Бөмбөгний калориметр нь түлшний шаталт гэх мэт их хэмжээний дулаан ялгаруулдаг урвалыг тэсвэрлэх зориулалттай хаалттай калориметрийн нэг төрөл юм. Бөмбөгний калориметрт урвалж бодисын дээжийг хүчилтөрөгчөөр дүүргэсэн "бөмбөг" гэж нэрлэгддэг ган саванд хийнэ. Дараа нь бөмбөгийг усаар дүүргэсэн саванд дүрнэ. Урвал явагдах үед ялгарсан дулаан нь хүрээлэн буй усыг халааж, усны температурыг хэмждэг. Энэхүү өгөгдлийн тусламжтайгаар эрдэмтэд урвалын дулааныг нарийн тооцоолж чадна.
Термохимийн өдөр тутмын амьдралд хэрэглэх хэрэглээ
Термохими нь өдөр тутмын амьдрал болон үйлдвэрлэлийн олон талбарт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
1. Түлшний үйлдвэрлэл
Шатах үед түлш ялгардаг энергийг ойлгох нь дотоод шаталтын хөдөлгүүрийн үр ашгийг оновчтой болгох, ялгарлыг бууруулахад чухал ач холбогдолтой. Жишээлбэл, автомашины хөдөлгүүр эсвэл цахилгаан станцуудад тодорхой түлшнээс ялгардаг яг тодорхой энергийг мэдэх замаар түлшний үр ашгийг сайжруулж болно.
2. Аж үйлдвэрийн үйл явц
Химийн үйлдвэрт олон урвалыг том хэмжээний бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэхэд ашигладаг. Эдгээр урвалууд нь ихэвчлэн холбогдох температур болон даралтыг хатуу хянахыг шаарддаг. Жишээлбэл, Хабер-Бош процессоор аммиак үйлдвэрлэх нь процессын үр ашиг, аюулгүй байдлыг хангахын тулд маш болгоомжтой дулааны менежмент шаарддаг экзотермик урвал юм.
3. Хоол хүнс ба халаалт
Хоол хийх явцад хүнсний орц найрлага дулаанаар өөрчлөгдөхөд термохими чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Жишээлбэл, элсэн чихрийн карамельжилт эсвэл мах зэрэг уургийн чаналт нь дулааны өөрчлөлтөөс ихээхэн хамаардаг. Хоолыг халаахад түүний молекулын бүтцэд химийн өөрчлөлтүүд нь өвөрмөц амт, бүтэц үүсгэдэг.
4. Эрчим хүчний менежмент
Термохимийн нэг хэрэглээ нь нарны ус халаагч эсвэл уур шахах агааржуулагч гэх мэт дулааны эрчим хүчний системийн зураг төсөл, менежментэд оршино. Ийм системд дулааны энергийн хувиргалтыг ойлгох нь илүү үр ашигтай, эрчим хүчний хэмнэлттэй системийг зохион бүтээхэд тусалдаг.
Термохимийн сорилтууд ба ирээдүй
Шинжлэх ухааны бусад салбарын нэгэн адил термохими нь одоо байгаа асуудлуудыг ойлгож, үр дүнтэй шийдлийг олохын тулд цаашид судалгаа хийх шаардлагатай бэрхшээлтэй тулгардаг.
1. Үр ашигтай материал
Дулааныг шингээх, хадгалах, ялгаруулахад илүү үр ашигтай материалыг нээн илрүүлэх судалгаа үргэлжилсээр байна. Ийм материалууд нь нарны эрчим хүчний хадгалалт, дулааны хөтлөлтийн технологи зэрэг сэргээгдэх эрчим хүчний хэрэглээнд ихээхэн боломжтой.
2. Нүүрстөрөгчийн ул мөрийг бууруулах
Өнөөгийн хамгийн том сорилтуудын нэг бол нүүрстөрөгчийн давхар исэл болон бусад хүлэмжийн хийн ялгарлыг бууруулах явдал юм. Термохими нь эрчим хүчний үйлдвэрлэл болон химийн боловсруулалтын аль алинд нь илүү цэвэр, илүү үр ашигтай процессуудыг хөгжүүлэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
3. Байгаль орчинд ээлтэй технологи
Биоэнерги, устөрөгчийн технологи зэрэг байгаль орчинд ээлтэй, тогтвортой шинэ технологийг хөгжүүлэх нь термохимийн зарчмуудыг гүнзгий ойлгохоос ихээхэн хамаардаг. Энэ салбарын дэвшил нь илүү ногоон, илүү тогтвортой эрчим хүчний эдийн засагт шилжихэд туслах болно.
Дүгнэлт
Термохими нь өдөр тутмын амьдрал болон үйлдвэрлэлийн салбарт олон төрлийн хэрэглээтэй химийн чухал салбар юм. Химийн урвал болон физик процесст дулааны энергийн өөрчлөлтийг судалснаар термохими нь бидэнд энерги хэрхэн шилжиж, хувирдаг, мөн бид энэ энергийг хэрхэн илүү үр ашигтай, тогтвортой ашиглаж болохыг илүү гүнзгий ойлгох боломжийг олгодог. Үргэлжлүүлэн судалгаа, инновацийн тусламжтайгаар термохими нь дэлхийн эрчим хүчний сорилтуудыг шийдвэрлэх, илүү тогтвортой ирээдүйг бий болгоход гол үүрэг гүйцэтгэсээр байх болно.
