Χημική αντίδραση στο απόλυτο μηδέν.

Μάλλον απαντάς όχι, γιατί πολύ απλά δεν έχει να απορροφήσει από πουθενά θερμότητα. Αν το θες πιο επιστημονικά, μπορείς να απαντήσεις ότι στο απόλυτο μηδέν σταματά η θερμική κίνηση των σωμάτων (Κίνηση Brown), άρα τα σώματα δεν μπορούν να αντιδράσουν. Επίσης, όσο πιο μικρή είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο δύσκολο είναι να κατεβάσω την θερμοκρασία των σωμάτων με αποτέλεσμα να πρέπει να ξοδέψω άπειρο χρόνο και άπειρη ενέργεια έτσι ώστε να φτάσω στο απόλυτο μηδέν. Η θερμοκρασία Τ=0 είναι απλά μια ιδανική θερμοκρασία που πειραματικά δεν γίνεται ποτέ των ποτών και για κανένα λόγο να επιτευχθεί.

Λογικά στο απόλυτο 0 δεν γίνονται αντιδράσεις αλλά δεν θέλω θα σταθώ σε αυτό.

Ας πάμε σε «φυσιολογικές» θερμοκρασίες. Πίσω από το ερώτημα που θέτει ο Πέτρος υπάρχει ο ισχυρισμός: «Σε κάθε ενδόθερμη αντίδραση έχουμε μείωση της θερμοκρασίας».

Αν δεν κάνω λάθος (Χημικός δεν είμαι) το αν μια αντίδραση είναι ενδόθερμη δεν καθορίζεται από το αν έχουμε μείωση της θερμοκρασίας αλλά από το αν έχουμε μείωση της θερμικής ενέργειας (ή καλύτερα της ενθαλπίας).

Και εγώ σαν φυσικός θα απαντήσω στην ερώτηση του Πέτρου: «Σε κάθε ενδόθερμη αντίδραση έχουμε μείωση της (διαθέσιμης) θερμότητας». Αν έχουμε μείωση της θερμοκρασίας, να το δούμε. Το βασικό πιστεύω είναι να ξεχωρίσει ο μαθητής την διαφορά θερμότητας – θερμοκρασίας που είναι απέναντι (διαφορετικό) από την καθημερινή ζωή. Και εκεί κάπου μπαίνει η έννοια της ενθαλπίας κτλ. που εμείς σαν μαθητές (τον καιρό των δεσμών) ακούσαμε για πρώτη φορά στο Λύκειο και καταλάβαμε στο πανεπιστήμιο. Δύσκολες έννοιες….

Βασικά ούτε εξώθερμη θα πρέπει να μπορεί να πραγματοποιηθεί. Από ότι γνωρίζω, η θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός δεν έχει επιτευχθεί πειραματικά. Έχουμε φτάσει όμως πολύ κοντά (νομίζω λιγότερο από 1 βαθμό Κέλβιν). Θεωρώ κι εγώ ότι πειραματικά είναι αδύνατο να φτάσουμε το απόλυτο μηδέν. Δεν είμαι όμως απόλυτα σίγουρος. Κι αυτό γιατί, αν θυμάμαι καλά, πρέπει να υπάρχει η ενέργεια μηδενικού σημείου (καλά θυμάμαι, το τσέκαρα) η οποία αναφέρεται στην ενέργεια δονήσεως ιόντων κρυσταλλικού στερεού, η οποία υπάρχει ακόμα και σε 0 Κέλβιν!!! Ακόμα όμως και υπό αυτό το πρίσμα, θεωρώ μάλλον αδύνατο να μπορεί να γίνει αντίδραση σε τέτοια θερμοκρασία…

(βλ. Βιβλίο Φυσική Α’ Δέσμης Σελίδα 334 – Παράγραφος 9.34)

Τι λέει εκεί Βασίλη;

Μια απλή απάντηση για τον μαθητή.

Όχι. Στο απόλυτο μηδέν όλα τα σώματα γίνονται στερεά (εκτός ίσως από το He). Αν συγκρουστούν ως στερεά (ώστε να αντιδράσουν) θα ανέβει η θερμοκρασία. Αν πριν ήταν στο ίδιο διάλυμα όταν φθάσουν στο απόλυτο μηδέν το διάλυμα θα είναι σε στερεά κατάσταση άρα κάθε αντίδραση θα απαιτούσε αλλαγή θέσης ατόμων άρα σπάσιμο του στερεού άρα άνοδο θερμοκρασίας.

Καλησπέρα συνάδελφοι

Νομίζω ότι η ερώτηση έπρεπε να λέει «κοντά στο απόλυτο μηδέν», αφού το απόλυτο μηδέν δεν υπάρχει.

Τότε θα έδινα την απάντηση «κατ’ αρχήν μπορεί», αλλά με μεγάλη επιφύλαξη, αφού δεν ξέρω τη χημική συμπεριφορά της ύλης σε αυτές τις θερμοκρασίες. Υποθέτω ότι θα υπάρχουν πειράματα και κάποιες αναφορές στο διαδίκτυο…Μήπως πρέπει να αναζητήσουμε την απάντησε σε εκείνη την …ξεχασμένη «ελευθέρα ενέργεια ΔG»;

Από την άλλη, η αρχή της απροσδιοριστίας δεν απαγορεύει την ακινητοποίηση των ατόμων σε καθορισμένες θέσεις; Άρα, ακόμα και στα «παγωμένα» στερεά, δεν θα υπάρχει κίνηση των ατόμων;

Ο μαθητής γνωρίζει μόνο τη συμπεριφορά της ύλης στις συνήθεις θερμοκρασίες. Σύμφωνα με αυτή τη συμπεριφορά και θεωρώντας ότι η θερμοκρασία είναι δείκτης της κινητικής ενέργειας των μορίων (στη θερμοδυναμική δεν το μαθαίνει αυτό; ), ο μαθητής θα μπορούσε να υποθέσει ότι στο απόλυτο μηδέν δε συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις, αφού δε θα έχουμε συγκρούσεις.

Λογικό ακούγεται φυσικά, μόνο που σε θερμοκρασίες που τείνουν στο απόλυτο μηδέν, η συμπεριφορά της ύλης εξηγείται με τη βοήθεια της Κβαντομηχανικής πλέον και οι αντιδράσεις που συμβαίνουν δεν εξηγούνται με τη θεωρία των συγκρούσεων. Εδώ ένα άρθρο δημοσιευμένο στο Science το 2010 για (εξωθερμες) αντιδράσεις σε θερμοκρασία κάποιων ενατοντάδων νανοκελβιν.

Ωραίες ερωτήσεις, μας κάνουν να ψάξουμε κι εμείς κάτι παραπάνω.

Ρωτώ τους χημικούς του δικτύου:

1) Τι σημαίνει για έναν χημικό «εξώθερμη αντίδραση»; α. αύξηση θερμικής ενέργειας      β. αύξηση ενθαλπίας      γ. αύξηση ελεύθερης ενέργειας      δ. αύξηση θερμοκρασίας     ε. κάτι άλλο…

2) Με βάση τα σχολικά βιβλία, τι σημαίνει για έναν μαθητή «εξώθερμη αντίδραση»;

Γιάννη να σου πω πως το αντιλαμβάνομαι εγώ.

Σε μία εξώθερμη αντίδραση το ενεργειακό περιεχόμενο των αντιδρώντων είναι μεγαλύτερο από το ενεργειακό περιεχόμενο των προϊόντων. Αυτό το ενεργειακό περιεχόμενο εκφράζεται είτε ως εσωτερική ενέργεια είτε ως ενθαλπία (υπό σταθερό όγκο και υπό σταθερή πίεση αντίστοιχα). Αυτή η ενεργειακή διαφορά αντιδρώντων-προϊόντων οδηγεί σε αύξηση της κινητικής ενέργειας των μορίων των προϊόντων. Δηλαδή η επιπλέον ενέργεια των αντιδρώντων μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια στα προϊόντα. Η αύξηση όμως της κινητικής ενέργειας των μορίων των προϊόντων ουσιαστικά ισοδυναμεί με αύξηση της θερμοκρασίας του αντιδρώντος συστήματος. Έτσι, εξαιτίας αύξησης της θερμοκρασίας σε σχέση με το περιβάλλον, έχουμε μεταφορά ενέργειας υπό μορφή θερμότητας από το αντιδρών σύστημα προς το περιβάλλον. Σε μία ενδόθερμη αντίδραση θεωρώ ότι συμβαίνει το ανάποδο.

Αν για παράδειγμα σε μια αντίδραση έχουμε αύξηση της εσωτερικής ενέργειας (υπό σταθερό όγκο) και ταυτόχρονα μείωση της θερμοκρασίας τότε η αντίδραση χαρακτηρίζεται εξώθερμη ή ενδόθερμη;

Γιάννη αυτό που καθορίζει το είδος (ενδόθερμη-εξώθερμη) είναι το ΔΗ.

ΔΗ>0 ενδόθερμη

ΔΗ<0 εξώθερμη

Ακριβώς έτσι είναι. Και επίσημα:

Endothermic reaction: “A reaction for which the overall standard enthalpy change ΔH° is positive.”

Exothermic reaction: “A reaction for which the overall standard enthalpy change ΔH° is negative.”

Γιώργο αν η ερώτηση ήταν «κοντά στο απόλυτο μηδέν» τότε θα ήταν άλλη ερώτηση (ήδη έχει απαντήσει η Βιβή και επιβεβαιώνει την πρόβλεψή σου).

‘‘αφού το απόλυτο μηδέν δεν υπάρχει’’ προφανώς το εννοείς με τη λογική της αρχής του ανεφίκτου του απολύτου μηδενός δηλαδή με πεπερασμένο αριθμό βημάτων δεν μπορεί να επιτευχθεί Τ=0. Η θερμοδυναμική (στατιστική, κβαντική) όμως δεν έχει πρόβλημα να μελετήσει θεωρητικά την κατάσταση ενός συστήματος σε Τ=0. Για να μπορούμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία του συστήματος, πρέπει να βρίσκεται σε κατάσταση ευσταθούς ισορροπίας. Η κατάσταση ευσταθούς ισορροπίας σε Τ=0 προϋποθέτει ελάχιστη ενέργεια (μηδενική εδαφική ενέργεια). Άρα θεωρώ λογικό να μην μπορεί να προχωρήσει μια χημική αντίδραση. Αν κάποιο κβαντικό φαινόμενο έκανε την αντίδραση εφικτή (δεν βρήκα κάποια αναφορά) σε Τ=0 και πάλι η αντίδραση θα είχε μηδενική ταχύτητα. Άρα η απάντησή μου στο θεωρητικό ερώτημα της ανάρτησης είναι όχι.

Για ένα σύστημα στο απόλυτο μηδέν, επειδή η θέση ενός σωματιδίου δεν είναι εντελώς ακαθόριστη, η αρχή της απροσδιοριστίας υπαγορεύει κίνηση δηλ. κινητική ενέργεια, εξ’ ου και η ενέργεια μηδενικού σημείου που ανέφερε ο Θοδωρής πιο πάνω.  Αυτή η ενέργεια όμως δεν μπορεί να αφαιρεθεί από το σωματίδιο.