Применение теплового эффекта на практике

 

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов.

Зная тепловой эффект и законы термохимии, можно рассчитать, будет ли протекать реакция, не ставя практических экспериментов.

В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов, в которых идут эндотермические реакции. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.

Врачи-диетологи используют тепловые эффекты окисления пищевых продуктов в организме для составления правильных рационов питания не только для больных, но и для здоровых людей - спортсменов, работников различных профессий. По традиции для расчетов здесь используют не джоули, а другие энергетические единицы - калории (1 кал = 4,1868 Дж). Энергетическое содержание пищи относят к какой-нибудь массе пищевых продуктов: к 1 г, к 100 г или даже к стандартной упаковке продукта. Например, на этикетке банки со сгущенным молоком можно прочитать такую надпись: "калорийность 320 ккал/100 г".

 

Химические «грелки» и охлаждающие пакеты

 

Известно несколько видов «обыкновенных химических грелок».

Устройство их очень простое: обычно это два пакета (маленький и большой) из водонепроницаемого и химически стойкого материала (пленки, ткани). Внутри маленького пакета — вещество или смесь веществ. Чтобы грелка начала работать, сюда надо добавить немного воды и перемешать содержимое пакета. Потом пакет закрывают, вставляют в большой и еще раз тщательно закупоривают; теперь грелкой можно пользоваться. Одна из самых простых химических грелок содержит оксид кальция СаО (негашеную известь), который взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция:

 

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂ + Q.

 

Реакция сопровождается тепловыделением. Температура грелки может достигать 70—80° С. В химической грелке другого вида используют взаимодействие металлов (в виде стружки) и солей.

Совершенно сухую смесь железной (Fe) или алюминиевой (А1) стружки с солями меди (например, СuС1₂) можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100°С за счет реакции:

 

Fe + CuCl₂ = FeCl₂ + Cu.

 

При этом грелка, в которой хлорид меди СuС1₂ превращается в хлорид железа FeCl₂, сохраняет тепло около десяти часов.

Примерно по тому же принципу работают противоположные грелкам устройства – гипотермические, или охлаждающие, пакеты. Их главное отличие от грелок состоит в том, что в них происходят эндотермические реакции.

В гипотермических пакетах происходит гидролиз аммиачной селитры (NH₄NO₃), происходящий с поглощением тепла. Принцип действия охлаждающего пакета прост: если раздавить ампулу с водой внутри пакета, вода вступает в химическую реакцию с аммиачной селитрой, поглощая энергию из окружающей среды, т.е. охлаждая её.

 

NH₄NO₃ + H₂O = NH₄OH + HNO₃ - 23.1кДж/моль [19]

 

Гипотермические пакеты широко используются в медицине и в быту.

Жаропрочные покрытия

 

Развитие техники высоких температур вызывает необходимость создания особо жаропрочных материалов. Эта задача может быть решена путём использования тугоплавких и жаропрочных металлов. Интерметаллические покрытия привлекают всё большее внимание, поскольку обладают многими ценными качествами: стойкостью к окислению, агрессивными расплавами, жаропрочностью и т.д. Интерес представляет и существенная экзотермичность образования этих соединений из составляющих их элементов. Возможны два способа использования экзотермичности реакции образования интерметаллидов. Первый – получение композитных, двухслойных порошков. При нагреве компоненты порошка вступают во взаимодействие, и тепло экзотермической реакции компенсируют остывание частиц, достигающих защищаемой поверхности в полностью расплавленном состоянии и образующих малопористое прочно сцеплённое с основой покрытие. Другим вариантом может быть нанесение механической смеси порошков. При достаточном нагреве частиц они вступают во взаимодействие уже в слое покрытие. Если величина теплового эффекта значительная, то это может привести к самопроплавлению слоя покрытия, образованию промежуточного диффузионного слоя, повышающего прочность сцепления, получения плотной, малопористой структуры покрытия. При выборе композиции, образующей интерметаллидное покрытие с большим тепловым эффектом и обладающее многими ценными качествами – коррозионной стойкостью, достаточной жаропрочностью и износостойкостью, обращает на себя внимание алюминиды никеля, в частности NiAl и Ni₃Al. Образование NiAl сопровождается максимальным тепловым эффектом.