بیگ بنگ: از زماني كه كوه دماوند توسط فوران آتشفشان ساخته شده است، هزاران سال مي گذرد. اين كوه كه بلندترين در خاور ميانه و مرتفع ترين قله آتشفشاني آسياست، همچنان پابرجاست، اما ظاهرا اين پايداري و استواري برخلاف علم ترموديناميك است!

از لحاظ ترموديناميكي تكه سنگي كه در بالاي كوه قرار دارد، در حالت ناپايداري به سر مي برد و با سقوط و قرار گرفتن در دامنه كوه به حالت پايدارتري مي رسد. يك كوه از همين تكه سنگها و خرده اجرامي تشكيل شده كه به همين منوال به صورت ناپايداري بر روي همديگر قرار گرفته اند و پيش بيني ترموديناميك مسطح شدن خود به خودي تمامي كوههاست. در برخي كتب و دروس آكادميك، پايداري ترموديناميكي سيستمها را با دو پارامتر انرژي و آنتروپي توضيح مي دهند، بدين ترتيب كه سيستمها تمايل به انرژي كمتر و آنتروپي بيشتر دارند. تمايل به آنتروپي بيشتر كاملا درست است و قبلا در مورد آن توضيح داده شد، اما ميل سيستمها به انرژي كمتر از بنيان نادرست است.

1(2)

با توجه به قانون بقاي انرژي ، كاهش انرژي يك سيستم، منجر به افزايش انرژي ديگر سيستمها مي شود و تمامي سيستمها نمي توانند همزمان انرژي خود را كاهش دهند. هنگامي كه سنگي از بالاي كوه سقوط مي كند و در دامنه كوه آرام مي گيرد، از انرژيش كاسته مي شود، اما اين انرژي از دست رفته نابود نمي شود و به گرما تبديل شده و به بخش ديگري از زمين منتقل مي شود. در همين فرآيند ، بر ميزان آنتروپي زمين افزوده مي شود. بنابراين بر طبق اصول ترموديناميك، كوهها بايد از بين بروند، تمامي مواد سوختني بايد بسوزند، يعني چوب، كاغذ،نفت، زغال سنگ ، لوازم خانه و حتي بدن دوست داشتني من و شما بايد با اكسيژن تركيب شده و بسوزند! حتي از نظر ترموديناميك، الماس بايد به گرافيت (به زبان ساده زغال) تبديل شود، همچنين در سطح اتمي، تمامي عناصر سنگين تر و نيز سبك تر از آهن و سرب بايد شكافته و يا جوش بخورند و به اين دو عنصر تبديل شوند، آهن و سرب پايدارترين عناصر هستند، اما چرا؟

آيا ترموديناميك مزخرف مي گويد؟! چه كسي باور مي كند كه الماس به زغال تبديل شود؟ الماس هزاران سال است كه زير بار فشار و دماي بالا، در اعماق زمين تشكيل شده و توسط آتشفشانها به سطح زمين هدايت شده است و تمام كساني كه با قيمت گزاف آن را خريد و فروش مي كنند، نسبت به استحكام و پايداري آن اطمينان 100 درصد دارند. پايداري همچون كميابي، يكي از مهمترين پارامترهاي هر جسم گران و ارزشمندي است، الماس سخت و پايدار است. انسانها همه گونه نگراني دارند، اما چه كسي حتي در عمق يك جنگل پر از اكسيژن نگران سوختن بدن خويش است؟ درخت سرو زرتشت (ابرقو) حدود 4000 سال زندگي كرده و نسوخته است. اين همه عناصر سنگين تر و سبك تر از آهن و سرب بر روي زمين و جهان ، دست نخورده و بدون واكنشهاي اتمي وجود دارند. چگونه مي توان باور كرد كه اتمهاي هيدروژن خودبه خود جوش خورده و به عناصر سنگين تر تبديل شوند؟

همه اينها كه گفتيم درست است. كسي نديده است كه الماس خود به خود به زغال تبديل شود، اما پيش بيني هاي ترموديناميك كاملا درست است، نكته اصلي اينجاست كه ترموديناميك در مورد سرعت و زمان وقوع اين پيش بيني ها چيزي نمي گويد. بايد خيلي خيلي عمر كنيد و صبور باشيد تا با چشم طبيعي وقوع بسياري از رويدادهاي مورد نظر ترموديناميك را ببينيد. واقعيت اين است كه در همين لحظه نيز بدن من و شما، همچون كاغذي كه من بر روي آن مي نويسم و نيز سرو زرتشت در حال سوختن با اكسيژن است، اما سرعت آن به قدري كم است كه همچون رشد درختها و گياهان و زنگ زدن آهن، براي ما قابل تشخيص نيست و اصولا در حالت طبيعي چنين واكنشهايي جايي براي نگراني نيز ندارد. در شرايط معمولي سوختن يك گرم چوب هزاران سال طول مي كشد. علمي كه در آن سرعت واكنشها مورد بررسي قرار مي گيرد ، سنيتيك است.

يكي از عوامل مهم در سرعت واكنشها ، موضوع مقاله ما، يعني انرژي اكتيواسيون مي باشد كه اولين بار توسط شيميدان سوئدي، سوانت آرنيوس معرفي شد. در مقابل تمامي واكنشها و پيش بيني هايي كه ذكر شد، يك سد انرژي وجود دارد كه باعث كندي سرعت آنها مي شود. هر چه اين سد انرژي بزرگتر باشد، پيشرفت واكنش سخت تر و سرعت آن نيز كمتر مي شود. وجود اين سد انرژي براي صنايع شيميايي چندان خوشايند نيست، چراكه آنها را مجبور به استفاده از انرژي و هزينه بيشتر براي پيشبرد واكنشها و رسيدن به محصولات مي كند ، اما براي من و شما بسيار خوشايند است. اگر چنين سدي نبود، در همين لحظه بدن ما با اكسيژن مي سوخت و خاكستر مي شد.

برگرديم به سنگي كه در بالاي كوه جا خوش كرده است. چرا اين سنگ بلافاصله سقوط نمي كند؟ چون در مقابل اين واكنش يك سد انرژي وجود دارد. شروع سقوط به يك انرژي معادل آن براي گذشتن از اين سد نياز دارد. اين مقداربه انرژي اكتيواسيون يا فعالسازي موسوم است كه حداقل انرژيبراي شروعچنين واكنشهايي مي باشد. براي يك سنگ نسبتا كروي كه خيلي سنگين نباشد، نيروي دست يك شخص نيز مي تواند انرژي سقوط را تامين كند. هر گاه كسي آن را هل دهد و مانعي در مسير نباشد، تا ته دره سقوط خواهد كرد. براي سنگهاي بزرگتر يك زلزله چنين كاري را انجام خواهد داد. يك جنگل سرسبز و زيبا به خودي خود نخواهد سوخت (به عبارت علمي تر سرعت سوختن آن بسيار كند است)، اما برخورد يك صاعقه يا بي احتياطي يك فرد در برپا كردن آتش مي تواند به يك فاجعه زيست محيطي ختم شود! چرا؟ چون آتش گرفتن بخشي از يك درخت، انرژي اكتيواسيون سوختن آن را تامين مي كند، اما موضوع به همين جا ختم نمي شود. سوختن چوب، يك واكنش انرژي زاست و انرژي آزاد شده از سوختن يك درخت مي تواند انرژي اكتيواسيون سوختن ديگر درختان را تامين كند و الي آخر!

به اين نوع واكنشها زنجيره اي مي گويند. واكنشهايي كه شروع آنها، انرژي ادامه كار را تامين مي كند و به پيش مي برد. انفجار يك خانه در اثر نشت گاز نيز بر اساس همين واكنش زنجيره اي انجام مي پذيرد. اگر چه خانه اي كه پر از گاز شده به خودي خود آتش نمي گيرد، اما كوچكترين بي احتياطي مانند فشردن كليد برق ، جرقه اي توليد مي كند كه براي شروع واكنش سوختن چند مولكول گاز كافيست و اين يعني تامين انرژي اكتيواسيون ديگر مولكولها و در ادامه انفجار و آتش سوزي! در چنين مواردي بايد در و پنجره ها را باز كرد و با يك حوله خيس و حتي مرطوب كردن پوشاك خود (جهت جلوگيري از جرقه الكتريسته ساكن) ، گاز را از طريق پنجره ها به بيرون از خانه هدايت كرد.

جرقه‌های ایجاد شده توسط سایش فولاد بر روی چخماق انرژی فعالسازی لازم برای آغاز احتراق چراغ بونزن را فراهم می‌کند. پس از آغاز احتراق، انرژی حاصل از واکنش، انرژی فعالسازی لازم برای ادامهٔ آن را فراهم می‌کند.
جرقه‌های ایجاد شده توسط سایش فولاد بر روی چخماق انرژی فعالسازی لازم برای آغاز احتراق چراغ بونزن را فراهم می‌کند. پس از آغاز احتراق، انرژی حاصل از واکنش، انرژی فعالسازی لازم برای ادامهٔ آن را فراهم می‌کند.

براي برخي واكنشها مانند تبديل الماس به گرافيت، انرژي اكتيواسيون به حدي زياد است كه عملا سرعت واكنش در شرايط معمول صفر مي باشد. البته اين براي الماس دوستان خبر خوشي است، اما در صنايع شيميايي انرژي اكتيواسيون بالا باعث كندي توليد محصول و افزايش هزينه مي شود. با اين حال آدمي براي اين معضل نيز راه حلي پيدا كرده است : كاتاليزور. كاتاليزور ها با تشكيل تركيبات واسطه سبب كاهش انرژي اكتيواسيون واكنشها شده و در پايان فرآيند، خود به صورت دست نخورده باقي مي مانند. واكنشهايي نيز وجود دارند كه انرژي اكتيواسيون آنها بسيار كم و حتي صفر است. مثلا واكنش برخورد يك الكترون با پوزيترون كه به دو فوتون تبديل مي شود از اين نوع است. در شيمي نيز اكثر واكنشهاي راديكالي داراي انرژي اكتيواسيون صفر هستند و به راحتي و با سرعت پيش مي روند. نوع سومي از واكنشها داراي انرژياكتيواسيون منفي هستند.

اگر بخواهيم ساده آن را توضيح دهيم، در اين واكنشها دادن انرژي باعث كاهش سرعت يا عدم انجام واكنش مي شود و در واقع شما بايد به نوعي مقداري انرژي بگيريد تا واكنش به پيش برود. مثلا واكنش تركيب دوراديکالاتم يد براي تشكيل مولكول آناز اين نوع است.انرژی آزاد شده از اين تركيب دوباره اتمها را از همديگر جدا مي كند. براي پيشبرد اين واكنش معمولا مقداري گاز آرگون اضافه مي كنند تا انرژي آزاد شده را جذب كند. انرژي اكتيواسيون بيشتر واكنش هاي هسته اي نيز خيلي زياد است (چرا؟).

مثلا براي جوش هسته اي هيدروژن و تبديل آن به هليوم در ستاره هابيش از10ميليون درجه حرارت مورد نياز است كه اين مقدار در رآكتورهاي آزمايشگاهي به 100 ميليون درجه افزايش پيدا مي كند! البته با توجه به اينكه هميشه تخريب بسيار ساده تر از ساختن و آباد كردن است، آدمي نيز سالها پيش واكنش جوش هسته اي هيدروژن را در بمبهاي هيدروژني تكميل كرده است. در اين بمب هاي ويرانگر كه قادرند در يك لحظه بزرگترين شهرها را از نقشه جغرافيا پاك كنند، از يك بمب اتم به عنوان چاشني يا تامين كننده انرژي اكتيواسيون واكنش استفاده مي شود. با اين حال چهره آباد كننده اين واكنش هنوز خودش را به نمايش انسان در نياورده است.

با تمام تلاشهايي كه تا كنون براي كنترل فرآيند جوش هسته اي انجام گرفته ، متاسفانه هنوز بشر نتوانسته به اين انرژي پاك و تقريبا نامحدود دست يابد. رآكتورهاي ساخته شده همچون توكامك قادرند براي لحظه اي، جوش هسته اي را به انجام برسانند، اما هنوز پيشبرد زنجيره اي واكنش ميسر نشده است. اميد مي رود كه در آينده نزديك مجموعه  ITER اولين رآكتور همجوشي جهان را كه از نوع توكامك خواهد بود در فرانسه بسازند. اين مجموعه متشكل است از كشورهاي روسيه ، اروپا، ژاپن ،كانادا، چين، ايالات متحده و جمهوري كره. توان خروجي اين توكامك 410 مگا وات خواهد بود.

زماني به اين موضوع فكر مي كردم كه شايد بتوان با تزريق مولكولي ايزوتوپهاي هيدروژن (دوتريوم و تريتيوم) از يك نانو پايپ و محصور سازي مغناطيسي پلاسماي آن در در فضاي كوچكي كه چندين اشعه ليزر بر روي آن همگرا شده به جوش هسته اي دست يافت. امروزه هر نوع جوش هسته اي با ليزرهاي پرقدرت مانند ليزر نوا (Nova) امكان پذير شده است، اما مشكلات بزرگي از جمله انرژي زياد براي توليد اين نوع ليزردر مسير اين فرآيند قرار دارد. در هر حال توليد انرژي از جوش هسته اي مشكل است، اما اگر به شكل صنعتي امكان پذير شود، علاوه بر دستيابي به يك انرژي نسبتا نامحدود، زمين و طبيعت از شر بسياري از آلودگيها نجات پيدا مي كند! به اميد آن روز!

نویسنده : احمد مصدر- عضو پیوسته بیگ بنگ

منابع بیشتر : pdf , Activation energy , hupaa , youtubevideo , ITER

دیدگاهتان را بنویسید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

1 دیدگاه

  1. سلام میشه برام توضیح بدید که علت وجود سد انرژی بین واکنش دهنده ها و محصول چیه؟