حاسبة حرارة الاحتراق - الطاقة المنطلقة | مجاني

حاسبة حرارة الاحتراق

تحسب حاسبة حرارة الاحتراق الطاقة المنطلقة عند احتراق الوقود احتراقًا كاملًا في الأكسجين. وتحول كمية المادة، بوحدة المولات أو الغرامات أو الكيلوغرامات، إلى قيمة للطاقة بالكيلوجول أو الميغا جول أو الكيلوكالوري.

ما حرارة الاحتراق؟

إنثالبي الاحتراق، المعروف أيضًا باسم حرارة الاحتراق، هو الطاقة المنطلقة عند احتراق مول واحد من مادة احتراقًا كاملًا في الأكسجين في الظروف القياسية (25 °م و1 ضغط جوي). والاحتراق تفاعل طارد للحرارة، أي إنه يطلق الطاقة بدلًا من امتصاصها. وتُكتب القيمة عادةً بالكيلوجول لكل مول (كج/مول).

لكل مادة حرارة احتراق ثابتة خاصة بها، تُحدد بالتجربة. ولا تقيس الحاسبة هذه القيمة، بل تبحث عن قيمة معروفة وتُعدّلها بما يتناسب مع كمية الوقود المُدخلة.

تفاعل الاحتراق

معظم أنواع الوقود المستخدمة في هذه الحاسبة هيدروكربونات أو مركبات عضوية مرتبطة بها. وعند احتراقها احتراقًا كاملًا، تتفاعل مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء، وتطلق حرارة:

الوقود + O₂ → CO₂ + H₂O + حرارة

فعلى سبيل المثال، يحترق الميثان وفق المعادلة CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + حرارة.

تعمل مادتان في الحاسبة بطريقة مختلفة. فالهيدروجين لا يحتوي على الكربون، ولذلك يُكوّن الماء فقط: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + حرارة. أما أول أكسيد الكربون فلا يحتوي على الهيدروجين، ولذلك يُكوّن ثاني أكسيد الكربون فقط: 2CO + O₂ → 2CO₂ + حرارة.

كيفية حساب حرارة الاحتراق

تساوي الطاقة الكلية المنطلقة كمية المادة، بوحدة المولات، مضروبة في حرارة احتراقها لكل مول:

$Q = n \times H$

حيث إن Q هي الحرارة الكلية المنطلقة، وn كمية المادة بالمولات، وH حرارة الاحتراق بالكيلوجول لكل مول.

إذا أُعطيت الكمية بالغرامات أو الكيلوغرامات بدلًا من المولات، فحوّلها أولًا باستخدام الكتلة المولية للمادة، وهي كتلة مول واحد بالغرامات:

• الكتلة بالغرامات: $n = \frac{m}{M}$
• الكتلة بالكيلوغرامات: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

حيث إن m هي الكتلة، وM الكتلة المولية بالغرام لكل مول.

بعد حساب الطاقة بالكيلوجول، يمكن تحويلها إلى وحدات أخرى:

• 1 ميغا جول = 1,000 kJ
• 1 كيلوكالوري = 4.184 kJ بالضبط
• 1 kJ = 0.23901 كيلوكالوري، بالتقريب إلى خمسة أرقام

مثال محلول

كم مقدار الحرارة الناتجة عن احتراق 10 غرامات من الميثان (CH₄)؟

1. الكتلة المولية لـCH₄: 16.04 غرام/مول
2. التحويل إلى مولات: 10 غرام ÷ 16.04 غرام/مول ≈ 0.623 mol
3. حرارة احتراق الميثان: 890 kJ/مول
4. الحرارة الكلية: 0.623 mol × 890 kJ/مول ≈ 555 kJ

تساوي كمية الحرارة هذه أيضًا نحو 0.555 ميغا جول أو 133 كيلوكالوري.

قيم حرارة الاحتراق للمواد الشائعة

يعرض الجدول حرارة الاحتراق القياسية والكتلة المولية لكل مادة في الحاسبة، إلى جانب الطاقة المنطلقة لكل غرام.

يطلق البيوتان أكبر قدر من الطاقة لكل مول بين المواد المدرجة، يليه الغلوكوز. أما لكل غرام، فيطلق الهيدروجين طاقة أكبر بكثير من أي مادة أخرى، لأن كتلته المولية منخفضة جدًا.

سبب اختلاف كثافة الطاقة

تطلق الجزيئات المكوّنة أساسًا من الكربون والهيدروجين الطاقة من كسر روابط C–H وC–C وتكوين روابط جديدة في CO₂ وH₂O. وتطلق الهيدروكربونات الأكبر عمومًا طاقة أكبر لكل مول، لأن لديها عددًا أكبر من الروابط. لكن الطاقة لكل غرام تعتمد أيضًا على الكتلة المولية، ولذلك يمكن لجزيء خفيف مثل الهيدروجين أن يطلق طاقة أكبر لكل غرام، رغم أنه يطلق طاقة أقل لكل مول.

تطلق المواد التي تحتوي أصلًا على الأكسجين، مثل الإيثانول والغلوكوز، طاقة أقل لكل غرام من الهيدروكربونات النقية ذات الحجم المماثل. فتكون بعض روابطها قد تأكسدت جزئيًا قبل بدء الاحتراق، ولذلك تتوافر طاقة أقل لإطلاقها.

كيفية قياس حرارة الاحتراق

الطريقة القياسية هي المسعرية القنبلية. تُحرق عينة موزونة داخل وعاء فولاذي محكم مملوء بالأكسجين ومغمور في كتلة معلومة من الماء. فتعمل الحرارة المنطلقة على تسخين الماء، ويعطي ارتفاع درجة الحرارة، بالاستناد إلى السعة الحرارية المعروفة للمسعر، الطاقة المنطلقة.

القيمة الحرارية العليا والدنيا

يمكن الإبلاغ عن حرارة الاحتراق بطريقتين، تبعًا لما إذا كان الماء الناتج ينتهي في صورة سائل أو بخار. وتحسب القيمة الحرارية العليا (HHV) الحرارة الإضافية المنطلقة عند تكثف بخار الماء إلى سائل. أما القيمة الحرارية الدنيا (LHV) فلا تحسبها. والقيم المستخدمة في هذه الحاسبة هي قيم HHV، المقاسة مع بقاء ناتج الماء في صورة سائلة.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين القيمة الحرارية العليا والقيمة الحرارية الدنيا؟ تشمل القيمة الحرارية العليا (HHV) الحرارة المنطلقة عند تكثف بخار الماء في نواتج الاحتراق إلى ماء سائل. أما القيمة الحرارية الدنيا (LHV) فتُبقي ذلك الماء في صورة بخار، ولذلك تعطي رقمًا أصغر. تستخدم هذه الحاسبة قيم HHV.

أي وقود له أعلى حرارة احتراق؟ من بين المواد الموجودة في هذه الحاسبة، يطلق البيوتان أكبر قدر من الطاقة لكل مول (2,877 kJ/مول). أما لكل غرام، فيطلق الهيدروجين القدر الأكبر (نحو 141.6 kJ/غ)، لأن كتلته المولية منخفضة جدًا.

هل يمكنني حساب حرارة احتراق مادة غير مدرجة؟ تغطي هذه الحاسبة المواد العشر المدرجة فيها فقط. وبالنسبة إلى أي مركب آخر، يجب الحصول على حرارة احتراقه من مرجع في الكيمياء أو من قياس مخبري، ثم إدخالها يدويًا في الصيغة نفسها.

لماذا تطلق الكربوهيدرات مثل الغلوكوز طاقة أقل لكل غرام من الهيدروكربونات؟ يحتوي الغلوكوز أصلًا على ذرات أكسجين في بنيته، ولذلك تكون ذرات الكربون فيه مؤكسدة جزئيًا قبل بدء الاحتراق. وتبقى طاقة أقل لإطلاقها مقارنةً بهيدروكربون نقي ذي حجم مماثل.

هل حرارة الاحتراق هي نفسها السعرات الحرارية في الطعام؟ تقيسان النوع نفسه من الكمية، أي الطاقة المنطلقة من أكسدة مادة، لكن السعرات الغذائية (الكيلوكالوري) المذكورة على الملصقات تأتي من مزيج من المغذيات، وتأخذ في الحسبان ما يمتصه الجسم ويستقلبه فعليًا، لا الطاقة الكيميائية القصوى الناتجة عن الاحتراق الكامل فحسب.

هل اختبار تفاعلات الاحتراق في المنزل خطر؟ الاحتراق تفاعل طارد للحرارة، ويمكن أن يشعل المواد المحيطة أو يسبب تراكم الضغط في الأماكن المغلقة. ولا ينبغي اختبار أنواع الوقود أو بناء المسعرات إلا مع التدريب المناسب والتهوية ومعدات السلامة.