聚变是放热的还是吸热的?(详细说明)

融合是将两个或多个实体结合成一个单一实体的过程。在化学中，核聚变通常是两个或多个原子核结合形成一个或多个不同的原子核和亚原子粒子(中子或质子)的反应，因此被称为核聚变。核聚变通常在极端条件下进行。

现在的问题是聚变是放热过程还是吸热过程?聚变反应是一个放热过程随着能量的释放。生成产物的质量小于反应物的质量，因此，能量被释放出来;因此，反应是放热的。轻原子核的聚变是放热过程，而重原子核的聚变是吸热过程。

什么是核聚变反应?

核聚变的定义是两个或较轻的原子核结合，产生较重的原子核和亚原子粒子(中子或质子)并释放出大量能量的反应。

该过程发生在极端压力和温度条件下。

在核聚变中，形成的产物质量与反应物质量之间的差异导致能量的释放。

在聚变反应中，能量的释放解释了核力(结合质子和中子的力)和库仑力(引起质子之间排斥的力)的相互作用。

宇宙中的太阳和恒星是有生命的，因为它们发生了核聚变。这种反应发生在恒星的核心，并产生大量的热量和能量。

恒星中氢核的聚变导致氦的形成是核聚变反应的一个例子。

描述核聚变的一些反应如下:

₁¹H +²₁H→^3.₂他

(质子和氘的聚变，氢的异构体;形成氦)

^3.₂他+^3.₂他→⁴₂He + 2¹₁H

(两个氦-3同位素发生聚变，形成氦-4同位素和两个钷原子)

形成质量大于铁56或镍62的更重原子核的核聚变过程通常是吸热的。

它们的质量大，每核子的结合能(分离能)小;因此，进行这个过程需要能量，因此它是吸热的。

什么是核裂变?它和核聚变有什么不同?

当一个中子击中一个较大的原子时，它会迫使它激发并分裂成两个较小的原子，这被称为裂变。

在这个过程中，一个高度加速的中子轰击重的、不稳定的分子，分裂成较轻的分子。

当原子分裂时，释放出大量的能量;因此，这是一个放热过程。能量的释放是因为裂变形成的产物比反应物更稳定(更有能量)。

在反应堆中进行核裂变反应最常用的元素是铀和钚。

核裂变可以自然发生，如放射性金属衰变，也可以在反应堆中强行进行。

一个高度加速的中子与铀轰击产生锶和氙的核裂变反应的例子如下:

²³⁵₉₂U +¹₀n→⁹⁰₃₈Sr +¹⁴³₅₄Xe + 3¹₀n

聚变和裂变都是产生巨大能量的核反应。然而，核聚变释放的能量比核裂变释放的能量多几倍。

裂变是一个可控的过程;因此，它被用于核反应堆，而核聚变不受控制，要创造所需的环境成本昂贵，因此不能用于发电。

虽然不同，但这些过程在能量创造中起着重要作用。

放热反应和吸热反应

在化学反应中，主要的变化是由于分子化学键的变化而发生的，这种变化是由于旧化学键的断裂和新化学键的形成而发生的。

在键的形成和分解过程中，能量被转移。打破化学键需要能量，而形成化学键时则释放能量。

释放能量的化学反应被称为放热反应．

在化学反应中，成键过程中释放的能量大于破坏反应物成键所需要的能量。在放热反应中，反应混合物的温度有显著升高。

类似地，需要能量来处理的反应被称为吸热反应．

在吸热反应中，反应物破键所需要的能量大于产物成键所释放的能量。

吸热反应伴随着反应混合物温度的降低。

释放或吸收的能量是以热的形式存在的。任何系统的热容都被称为焓．

焓变可以表示化学反应中由于转移而引起的能量变化。

一个具有正焓变的反应伴随着能量的吸收。因此，吸热反应的焓变为正。而对于有能量释放的反应，即放热反应，焓变为负。

为什么核聚变是放热过程?

核聚变的过程是两个较轻的原子核结合成较重的原子核。原子核质量的差异是反应中能量转移的原因。

在这个过程中形成的产物的质量小于反应物的质量。

为了更好地理解聚变是一种放热反应，让我们考虑一个氘和氚聚变形成氦核的例子。

²₁H +^3.₁H→⁴₂他+¹₀n

上述核的质量为:

●中子= 1.009 u

●氘核= 2.014 u。

●氚核= 3.016 u

●氦核= 4.003 u

质量差为

=生成物质量-反应物质量

=(氦核质量+中子质量)-(氘核质量+氚核质量)

= (4.003 + 1.009) - (2.014 + 3.016)

＝5.012 - 5.030

= - 0.018 u

生成物原子核的质量比反应物小。以能量形式释放的质量差之间的关系由方程给出，E = mc²．

由于质量之差为负，由上式得到的焓为负。

我们之前讨论过，当反应释放能量时，焓为负。因此，上面讨论的反应是放热的。这表明聚变反应是放热的。

核聚变相对于核裂变的优势

核聚变和裂变反应应用于产生能量(或电)。但与后者相比，融合工艺仍有一些优势，主要表现为:

1.可持续性

从核聚变过程中获得的燃料随处可见，取之不尽，用之不竭。

氘很容易从海水中提取，而锂的聚变可以得到氚。在裂变的情况下，铀必须在这个过程之前开采和浓缩，这也是罕见的。

2.零放射性废物

与核裂变不同，核聚变不会产生半衰期很长的有害或有毒放射性产物。

3.安全

与裂变反应堆相比，核聚变反应堆使用的燃料量很少。这是为了确保不受控制的能量释放不会发生。

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结论

核聚变是在极端的压力和温度条件下，较轻的原子结合形成较重的原子和亚粒子，并释放出巨大的能量的过程。

能量的释放使这个过程成为放热反应。在放热反应中，由于产物中键形成而释放的能量大于反应物中键断裂时吸收的能量，这伴随着反应混合物温度的升高。

此外，较轻原子核的聚变是放热过程，而较重原子核(很少)的聚变是吸热过程。

反应物和生成物的质量差以能量的形式释放出来，这一事实证明了聚变反应是放热的。我们得到了一个负焓的聚变过程，表明反应是放热的。

聚变反应比裂变反应产生更多的能量，但它们比裂变反应有一些优点。与核裂变反应相比，核聚变反应安全、清洁、没有放射性废物，而且是可持续的。

在文章的最后，我们可以得出结论，核聚变反应伴随着能量的释放，因此核聚变反应是放热的。