Energia reakcji

W artykule Energia w ujęciu mechaniki relatywistycznej przedstawiliśmy podstawowe wyrażenia opisujące energię całkowitą cząstki E , energię kinetyczną E_k  oraz energię spoczynkową E₀ . Napisaliśmy, że zgodnie z teorią sformułowaną przez Alberta Einsteina energia spoczynkowa jest szczególnym rodzajem energii, którą posiada każde ciało obdarzone masą, niezależnie od tego czy spoczywa, czy też porusza się z określoną prędkością. W tym artykule poświęcimy nieco więcej uwagi energii reakcji.

Energia spoczynkowa E₀

Zgodnie z definicją energia spoczynkowa E₀  dowolnego obiektu fizycznego jest wyrażona jako iloczyn masy m  i kwadratu prędkości światła w próżni c :

$$E_0 = m \hspace{.05cm} c^2$$

Powyższy wzór, oprócz wyrażania energii spoczynkowej danego ciała, spełnia w fizyce, zwłaszcza w fizyce jądrowej, jeszcze jedną istotną rolę. Mianowicie, pozwala obliczyć jaka część masy produktów biorących udział w reakcjach jądrowych ulega zamianie na energię i odwrotnie. To właśnie ten wzór wywarł ogromny wpływ na przebieg drugiej wojny światowej, stając się podstawą do opracowania śmiercionośnej bomby atomowej. Przemiany fizyczne zachodzące wewnątrz jąder atomowych związane są z uwalnianiem ogromnych ilości energii, znacznie przekraczających wartość energii uwalnianej podczas eksplozji konwencjonalnych materiałów wybuchowych.

Energia reakcji – wzór

Rozważmy układ izolowany, czyli układ nie wymieniający energii i masy z otoczeniem, składający się z kilku oddziałujących ze sobą cząstek. Jeżeli na skutek reakcji zachodzących w takim układzie, zmaleje całkowita energia spoczynkowa cząstek, wówczas, zgodnie z zasadą niezmienności całkowitej energii układu izolowanego, musi pojawić się energia w innej postaci. Zmianę energii spoczynkowej układu będącą rezultatem zachodzących reakcji (np. reakcji jądrowych) zwykło oznaczać się literą Q  i określać mianem energii reakcji. Wartość energii reakcji możemy wyznaczyć za pomocą poniższego wyrażenia:

$$E_{0p} = E_{0k} + Q$$

gdzie:
E_0p  – całkowita początkowa energia spoczynkowa układu,
E_0k  – całkowita końcowa energia spoczynkowa układu.

Jeżeli do powyższego wzoru podstawimy znane nam wyrażenie na energię spoczynkową, otrzymamy:

$$m_p \hspace{.05cm} c^2 = m_k \hspace{.05cm} c^2 + Q$$

i w konsekwencji wyrażenie na energię reakcji równe:

$$Q = m_p \hspace{.05cm} c^2 \hspace{.1cm} – \hspace{.1cm} m_k \hspace{.05cm} c^2 = \Delta m \hspace{.05cm} c^2$$

gdzie Δm  = m_p  – m_k  oznacza zmianę masy układu w wyniku reakcji.

Reakcje endotermiczne i egzotermiczne

Jeżeli pewna część początkowej energii spoczynkowej układu (a więc także i masy) ulega przemianie na inny rodzaj energii, wówczas końcowa energia spoczynkowa układu maleje i w konsekwencji energia reakcji Q  jest dodatnia – taki rodzaj reakcji, wskutek której uwalniana jest (w dowolnej postaci) energia nazywamy reakcją egzoenergetyczną (egzotermiczną). W przeciwnym przypadku, gdy końcowa energia spoczynkowa układu wzrasta, energia reakcji Q  jest ujemna – ten rodzaj reakcji nazywamy reakcją endoenergetyczną (endotermiczną).

Przykładem reakcji, w wyniku której Q  > 0 jest reakcja syntezy jąder wodoru zachodząca we wnętrzu Słońca. Dzięki niej możemy doświadczać promieni słonecznych oświetlających naszą planetę.