Δύο μεγάλες χαλύβδινες σφαίρες συγκρούονται με δύναμη. Ανάμεσά τους βρίσκεται ένα λεπτό φύλλο χαρτιού. Μετά την κρούση, στο χαρτί μένει μια μικρή μαυρισμένη οπή, συχνά με χαρακτηριστική οσμή καμένου. Οι σφαίρες, αν τις αγγίξουμε αργότερα, δεν φαίνονται ζεστές. Πού βρέθηκε λοιπόν η θερμότητα που έκαψε το χαρτί;
Η απάντηση κρύβεται όχι τόσο στο συνολικό ποσό της ενέργειας όσο στον τρόπο με τον οποίο αυτή συγκεντρώνεται. Η κινητική ενέργεια κάθε σφαίρας πριν από τη σύγκρουση είναι
\[E_k=\frac12mv^2.\]
Κατά την κρούση, μόνο ένα μέρος της μετατρέπεται σε θερμότητα. Ένα άλλο μέρος επιστρέφει ως κινητική ενέργεια όταν οι σφαίρες αναπηδούν, ενώ ενέργεια μεταφέρεται επίσης στον ήχο, στις ελαστικές ταλαντώσεις και στη μικροσκοπική παραμόρφωση του μετάλλου. Το θερμικό μέρος, όμως, απελευθερώνεται για ελάχιστο χρόνο σε μια εξαιρετικά μικρή περιοχή.
Η σχεδόν σημειακή επαφή
Δύο τέλειες σφαίρες θα άγγιζαν η μία την άλλη σε ένα μόνο γεωμετρικό σημείο. Τα πραγματικά μέταλλα παραμορφώνονται ελαστικά, οπότε δημιουργείται μια πολύ μικρή κυκλική επιφάνεια επαφής. Η μελέτη τέτοιων επαφών ξεκινά από τη θεωρία του Heinrich Hertz, γνωστή ως θεωρία επαφής Hertz.
Επειδή το εμβαδόν της επαφής είναι μικρό, η πίεση γίνεται τεράστια. Σε μικροσκοπική κλίμακα εμφανίζονται τοπικές παραμορφώσεις και εσωτερική τριβή. Η θερμότητα δεν προλαβαίνει να διαχυθεί σε ολόκληρη τη μάζα του χάλυβα· μένει για μια πολύ σύντομη στιγμή συγκεντρωμένη κοντά στο σημείο της σύγκρουσης.
Αυτό εξηγεί γιατί ένα λεπτό χαρτί μπορεί να απανθρακωθεί ή να τρυπηθεί, ενώ η μέση θερμοκρασία των σφαιρών μεταβάλλεται τόσο λίγο ώστε η διαφορά να είναι πρακτικά ανεπαίσθητη. Δεν έχουμε παραβίαση της διατήρησης της ενέργειας, αλλά ένα ωραίο παράδειγμα της διαφοράς ανάμεσα στη συνολική ενέργεια και στην πυκνότητα ενέργειας.
Από τη μηχανική στη χημεία
Το φαινόμενο αποκτά μια δεύτερη διάσταση όταν στην επιφάνεια υπάρχουν οξείδιο του σιδήρου —η κοινή σκουριά— και αλουμίνιο. Η στιγμιαία θέρμανση και η μηχανική καταπόνηση μπορούν, υπό κατάλληλες εργαστηριακές συνθήκες, να δώσουν την απαραίτητη ενέργεια ενεργοποίησης για μια εξαιρετικά μικρής κλίμακας θερμιτική αντίδραση.
\[\mathrm{Fe_2O_3+2Al\longrightarrow 2Fe+Al_2O_3+θερμότητα}.\]
Το αλουμίνιο έχει ισχυρότερη χημική συγγένεια με το οξυγόνο από ό,τι ο σίδηρος. Έτσι αποσπά το οξυγόνο από το οξείδιο του σιδήρου. Το αλουμίνιο οξειδώνεται προς οξείδιο του αλουμινίου, ενώ ο σίδηρος ανάγεται και απελευθερώνεται σε στοιχειακή μορφή. Είναι μια κλασική εξώθερμη αντίδραση οξειδοαναγωγής.
Για την εξίσωση όπως γράφεται παραπάνω, η πρότυπη μεταβολή ενθαλπίας είναι περίπου \(-849\ \mathrm{kJ/mol}\). Το αρνητικό πρόσημο δηλώνει ότι η ενέργεια των προϊόντων είναι χαμηλότερη από εκείνη των αντιδρώντων και η διαφορά αποδίδεται στο περιβάλλον ως θερμότητα.
Φτάνουν πράγματι τους 2.500 °C;
Η θερμοκρασία μιας κλασικής αντίδρασης θερμίτη αναφέρεται συνήθως στην περιοχή των 2.200–2.500 °C, ανάλογα με τη μορφή των αντιδρώντων, τις απώλειες θερμότητας και τον τρόπο υπολογισμού. Είναι υψηλότερη από το σημείο τήξης του σιδήρου, περίπου \(1.538\ ^\circ\mathrm{C}\), γι’ αυτό σε μεγάλη κλίμακα μπορεί να παραχθεί τηγμένος σίδηρος.
Αυτό δεν σημαίνει ότι οι δύο σφαίρες του συγκεκριμένου φαινομένου φτάνουν ολόκληρες σε τέτοια θερμοκρασία. Στη μικροσκοπική εκδοχή αντιδρά ελάχιστη ποσότητα υλικού στην επιφάνεια και οι φωτεινοί σπινθήρες αντιστοιχούν σε πολύ μικρά, υπέρθερμα σωματίδια. Η εντυπωσιακή θερμοκρασία είναι τοπική και παροδική.
Η κλασική θερμιτική αντίδραση χρησιμοποιήθηκε ιστορικά στη μεταλλουργία και στη συγκόλληση σιδηροδρομικών τροχιών. Έχει ένα ασυνήθιστο χαρακτηριστικό: το οξυγόνο που χρειάζεται βρίσκεται ήδη στο μεταλλικό οξείδιο. Δεν εξαρτάται λοιπόν από το οξυγόνο του αέρα όπως μια συνηθισμένη φλόγα.
Ακόμη και η μικροσκοπική επίδειξη συνοδεύεται από δυνατό κρότο, κίνδυνο τραυματισμού των χεριών και εκτόξευση καυτών σωματιδίων. Πανεπιστημιακά πρωτόκολλα συνιστούν να εκτελείται αποκλειστικά από εκπαιδευμένο διδάσκοντα, με κατάλληλη προστασία ματιών, σώματος και ελεγχόμενο εργαστηριακό χώρο. Η θερμιτική αντίδραση, όταν ξεκινήσει, δεν αντιμετωπίζεται όπως μια κοινή φωτιά και η επαφή της με νερό μπορεί να προκαλέσει επικίνδυνη εκτόξευση καυτού υλικού.
Μια σύγκρουση, δύο μετατροπές ενέργειας
Στην απλή κρούση παρακολουθούμε μια μηχανική μετατροπή: μέρος της κινητικής ενέργειας καταλήγει σε θερμική ενέργεια, εντοπισμένη σε μια πολύ μικρή περιοχή. Όταν ακολουθήσει η επιφανειακή οξειδοαναγωγή, προστίθεται μια δεύτερη πηγή: η χημική ενέργεια των αντιδρώντων.
Η κρούση δεν δημιουργεί την τεράστια ενέργεια της αντίδρασης. Προσφέρει την αρχική ώθηση για να ξεπεραστεί το ενεργειακό φράγμα. Από εκεί και πέρα, η πολύ μεγαλύτερη έκλυση θερμότητας προέρχεται από τον σχηματισμό του ιδιαίτερα σταθερού οξειδίου του αλουμινίου. Είναι η ίδια βασική ιδέα που συναντάμε όταν ένας μικρός σπινθήρας ανάβει ένα καύσιμο: η ενέργεια της ανάφλεξης είναι μικρή, ενώ η θερμότητα που ακολουθεί οφείλεται στη διαφορά ενέργειας ανάμεσα στα αντιδρώντα και στα σταθερότερα προϊόντα.
Το ουσιαστικό μάθημα: η θερμοκρασία δεν εξαρτάται μόνο από το πόση ενέργεια υπάρχει, αλλά και από το πού και πόσο γρήγορα απελευθερώνεται. Μια σχετικά μικρή ποσότητα ενέργειας, όταν περιοριστεί σε μικροσκοπικό χώρο και χρόνο, μπορεί να προκαλέσει εντυπωσιακά αποτελέσματα.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου