• Принос от Ед Виц, Джон У. Мур, Джъстин Шорб, Ксавие Прат-Резина, Тим Уендорф и Адам Хан
  • ChemPRIME в Цифрова библиотека за химическо образование (ChemEd DL)

Обикновено се нуждаем от 2500 калории на ден в храната, за да осигурим енергийните си нужди. Калорията е единица енергия, която се произвежда в нашите тела чрез окисляване на храната от кислород във въздуха, който дишаме. Енергията е равна на тази, получена при изгаряне на храната в кислород (по този начин се получава калоричната стойност). Ако не използваме храната в диетата си за производство на енергия, тя се съхранява (най-вече като мазнина). Ако включим лед в диетата си, както се предлага от някои екстремни диети, може ли мазнините да се избегнат, като се използва хранителна енергия за топене на леда?

диета

Още от революционната работа на Джозеф Блек (1728-1799), ние знаем, че огромно количество енергия се абсорбира, когато ледът се топи, въпреки че температурата остава 0 ° C през целия процес.

Ако това е вярно, бихме ли могли просто да ядем кубчета лед, за да „изгорим калории“? Да предположим, че консумираме 6 кубчета лед, 3 см на ръб на ден. Колко от дневния ни калориен прием е необходим за топене на леда? Ще можем да отговорим на този въпрос (в пример 1), но първо трябва да разберем значението на „топлина на сливане“.

Топлина на синтез

Когато топлинната енергия се доставя на лед, да речем, -10 o C, ние откриваме, че температурата се покачва стабилно, докато се достигне точката на топене (0 o C) и първите признаци на образуване на течност станат очевидни. След това, въпреки че все още доставяме топлинна енергия на системата, температурата остава постоянна, докато присъстват както течни, така и твърди вещества. Едва когато последните остатъци от твърдото вещество изчезнат, температурата започва да се покачва отново.

Това макроскопско поведение демонстрира съвсем ясно, че за да се разтопи ледът (или което и да е твърдо вещество) трябва да се доставя енергия. На микроскопично ниво топенето включва разделяне на молекули, които се привличат взаимно. Това изисква увеличаване на потенциалната енергия на молекулите и необходимата енергия се доставя от нагревателната намотка. Кинетичната енергия на молекулите (въртене, вибрации и ограничена транслация) остава постоянна по време на фазовите промени, тъй като температурата не се променя.

Топлинната енергия, която ледът поглъща, когато се топи, се нарича енталпия на сливане или топлина на синтез и обикновено се котира на моларен принцип. (Думата синтез означава същото нещо като „топене.”) Когато например се разтопи 1 мол лед, от експеримента установяваме, че са необходими 6,01 kJ. По този начин моларната енталпия на сливане на лед е + 6,01 kJ mol –1 и можем да напишем

\ [\ ce H2O (l)> \ без брой \]

(0 ° C) ΔHМ = 6,01 kJ mol –1

Избраните моларни енталпии на сливане са представени по-долу. Твърдите вещества като лед, които имат силни междумолекулни сили, имат много по-високи стойности от тези като СН4 със слаби.

Пример \ (\ PageIndex \): Хранителна енергия за лед

Колко хранителна енергия (в калории) е необходима за разтопяването на шест кубчета лед, които са на 3 см на ръба?

Плътността на леда е около 0,92 g/cm 3

\ [\ text = \ text \ times \ text = \ text ^ 3 \ times \ text \ frac = \ text \ nonumber \]

\ [\ text = \ text \ times \ Delta \ text_M = \ text \ times \ frac >> \ times \ text \ frac = \ text \ nonumber \]

За да преобразуваме тази енергия в американска/британска единица, използваме преобразуване, което идва от специфичната топлина на водата в тези единици, 1,0 калории/g o C:

Отначало това няма смисъл. Изглежда, че 17 300 калории енергия са необходими само за разтопяване на 6-те кубчета лед, но типичният ни дневен прием на храна е само около 2500 калории.

Объркването се крие в дефиницията на диетична "калория" (с главна буква "С"). 1 калория = 1000 калории

Така че изисква 17/2500 x 100% или 0,7% от дневната ни хранителна енергия, само за да загрее 6-те кубчета лед до телесна температура! Това е достатъчно енергия, за да изминете голяма част от миля!

Енталпия на изпаряване

Енергията се консумира и от изпаряване на изпотяване и изпаряване и издишване на вода при всеки дъх. Изпарението на изпотяване премахва топлината по време на тренировка, за да охлади телата ни, но може да не разпознаем количеството вода, което издишваме. Ако вдишваме около 10 000 L въздух на ден и въздухът е около 4% водна пара, издишваме около 400 L водна пара или приблизително 16 mol вода на ден. Колко от дневния ни калориен прием е необходим, само за да се изпари тази вода (пренебрегвайки енергията, отстранена чрез изпаряване на изпотяване)?

За да отговорим на този въпрос, трябва да разгледаме „топлината на изпаряване“:

Когато течността се вари, варирането на температурата с доставената топлинна енергия е подобно на това, което се намира за топене. Когато топлината се подава с постоянна скорост към течност при атмосферно налягане, температурата се повишава, докато се достигне точката на кипене. След това температурата остава постоянна до енталпия на изпаряване е доставен. След като цялата течност се превърне във пара, температурата отново се повишава. В случай на вода моларната енталпия на изпаряване е 40,67 kJ mol –1. С други думи

\ [\ ce H2O (g)> \ без брой \]
(100 ° С) ΔHМ = 40,67 kJ mol –1

Таблица \ (\ PageIndex \) Моларни енталпии на сливане и изпаряване на избрани вещества.

Вещество Формула ΔH (синтез)
/ kJ mol 1		 Точка на топене/K ΔH (изпаряване)/kJ mol -1 Точка на кипене/K (ΔHv/Tb)
/ JK -1 mol -1
Неон Не 0,33 24 1.80 27 67
Кислород O2 0,44 54 6.82 90.2 76
Метан СН4 0.94 90.7 8.18 112 73
Етан C2H6 2.85 90,0 14.72 184 80
Хлор Cl2 6.40 172.2 20.41 239 85
Въглероден тетрахлорид CCl4 2.67 250,0 30.00 350 86
Вода * H2O 6,00678 при 0 ° С, 101kPa
6,354 при 81,6 ° С, 2,50 МРа		 273.1 40,657 при 100 ° С,
45,051 при 0 ° С,
46.567 при -33 ° С		 373.1 109
н-Нонане C9H20 19.3 353 40.5 491 82
живак Hg 2.30 234 58.6 630 91
Натрий Na 2.60 371 98 1158 85
Алуминий Ал 10.9 933 284 2600 109
Водя Pb 4.77 601 178 2022 88

Пример \ (\ PageIndex \): Калории за издишване

Колко калории са необходими, за да се изпарят 16 мола вода на ден (приблизително количеството, което издишваме)?

\ [\ text = \ text \ times \ Delta \ text_M = \ text \ times \ text \ frac = \ text \ nonumber \]

Изглежда, че значително количество енергия отива във водата, която се изпарява!

Топлинната енергия се абсорбира, когато течността кипи, тъй като молекулите, които се държат заедно чрез взаимно привличане в течността, се блъскат една от друга, докато се образува газът. Такова разделяне изисква енергия. Като цяло необходимата енергия се различава от една течност в друга в зависимост от големината на междумолекулните сили. По този начин можем да очакваме течностите със силни междумолекулни сили да имат по-големи енталпии на изпаряване. Списъкът с енталпиите на изпаряване, даден в таблицата, потвърждава това.

Две други характеристики на таблицата заслужават да бъдат споменати. Единият е фактът, че енталпията на изпаряване на дадено вещество винаги е по-висока от енталпията му на сливане. Когато твърдото вещество се стопи, молекулите не се отделят една от друга в почти същата степен, както когато кипи течност. Второ, има тясна връзка между енталпията на изпаряване и точката на кипене, измерена в термодинамичната скала на температурата. Периодичните тенденции в точката на кипене следват отблизо периодичните тенденции в топлината на изпаряване. Ако разделим едното на другото, ще открием, че резултатът често е в диапазона от 75 до 90 J K –1 mol –1. Следователно за първо приближение енталпията на изпаряване на течност е пропорционална на термодинамичната температура, при която течността кипи. Този интересен резултат се нарича Правилото на Прутон. Еквивалентно правило не важи за синтез. Енергията, необходима за стопяване на твърдо вещество, и температурата, при която това се случва, зависят от структурата на кристала, както и от големината на междумолекулните сили.

Сътрудници и атрибуции

Ед Виц (Университет Куцтаун), Джон У. Мур (UW-Медисън), Джъстин Шорб (Хоуп Колидж), Ксавие Прат-Резина (Университет в Минесота Рочестър), Тим Уендорф и Адам Хан.