Lämpökemia

Maailman ensimmäinen jääkalorimetri, jota Antoine Lavoisier ja Pierre-Simon Laplace käyttivät talvella 1782-1783 osoittaakseen, että tietyissä kemiallisissa reaktioissa vapautuu lämpöä. Nämä kokeet merkitsivät lämpökemian syntyä.

Lämpö- eli termokemia on yksi fysikaalisen kemian osa-alue, jossa tutkitaan lämpöenergian vapautumista tai absorboitumista kemiallisissa reaktioissa. Lämpökemia käsittelee lämmön vaihtelua, joka liittyy erilaisiin muutoksiin kuten faasimuutoksiin ja kemiallisiin reaktioihin. Laskut liittyvät usein lämpökapasiteettiin, palamislämpöön ja muodostumislämpöön

Kaikki lämpökemian lait nojaavat kahteen toteamukseen:

1. Lavoisierin ja Laplacen laki (1782): Lämmön muutos, joka liittyy johonkin muutokseen on yhtä suuri ja vastakkainen verrattuna sen vastakkaiseen muutokseen.
2. Hessin laki (1840) : Reaktioentalpiaan ei vaikuta se kuinka monta välivaihetta reaktiossa on alku- ja loppulämpötilojen ollessa yhtä suuret

Lämpökemian historiaa

Vuonna 1782 Antoine Lavoisier ja Pierre-Simon Laplace asettivat lämpökemian perustan osoittamalla, että se lämpö, joka vapautuu reaktiossa on yhtä suuri kuin se lämpöenergian määrä, joka sitoutuu käänteisreaktiossa. He myös tutkivat lukuisten aineiden ominaislämpökapasiteettia ja latenttilämpöä sekä palamisessa vapautuvan lämmön määrää. Vuonna 1840 sveitsiläinen kemisti Germain Hess muotoili periaatteen, jonka mukaan reaktiossa muodostuvan lämmön määrä on sama tapahtuipa reaktio kerralla tai useammassa välivaiheessa. Tämä periaate tunnetaan Hessin lain nimellä. Lämpökemian ilmiöitä voidaan soveltaa esimerkiksi energiatehokkaissa lämpöenergian varastointisovelluksissa, joissa hyödynnetään vaihemuutosmateriaalien (phase change material) latenttilämmön ominaisuutta hukkalämmön varastoinnissa ja vapauttamisessa.

Reaktiolämpö

Lämpöenergiaa, joka sitoutuu tai vapautuu reaktiossa reagoivien aineiden moolimääriä kohti kutsutaan reaktiolämmöksi. Reaktiolämpö vakiopaineessa systeemille lasketaan:

$q_{p}=\Delta _{r}H=H_{t}-H_{l}\,.$

missä

• $H_{t}$ on reaktion tuotteiden entalpia
• $H_{l}$ on reaktion lähtöaineiden entalpia

Moolinen reaktioentalpia saadaan laskemalla yhteen reaktion lähtöaineiden moolientalpiat:

$\Delta _{r}H_{m}=\sum _{i}v_{i}\cdot H_{m}(i)\,.$

missä:

• $H_{m}(i)$ on aineen i moolientalpia
• $v_{i}$ on aineen i stoikiometrinen kerroin, joka voi olla positiivinen tai negatiivinen

Endoterminen ja eksoterminen reaktio

Mikäli entalpian muutos on negatiivinen vapautuu lämpöä ja reaktiota kutsutaan eksotermiseksi reaktioksi. Entalpiamuutoksen ollessa positiivinen energiaa sitoutuu ja reaktiota nimitetään endotermiseksi.

Aiheesta muualla

• Hasila Jarimi, Devrim Aydin, Zhang Yanan, Gorkem Ozankaya, Xiangjie Chen, Saffa Riffat: Review on the recent progress of thermochemical materials and processes for solar thermal energy storage and industrial waste heat recovery, International Journal of Low-Carbon Technologies, Volume 14, Issue 1, March 2019, Pages 44–69, Published: 20 December 2018 (englanniksi)