Calculadora de Calor de Combustió - Energia Alliberada | Gratuït

Calculadora de la calor de combustió

Una calculadora de la calor de combustió determina l’energia alliberada quan un combustible crema completament en oxigen. Converteix una quantitat de substància, expressada en mols, grams o quilograms, en un valor d’energia en quilojoules, megajoules o quilocalories.

Què és la calor de combustió?

La calor de combustió, també anomenada entalpia de combustió, és l’energia alliberada quan un mol d’una substància crema completament en oxigen en condicions estàndard (25 °C i 1 atmosfera de pressió). La combustió és una reacció exotèrmica, és a dir, allibera energia en lloc d’absorbir-ne. El valor se sol expressar en quilojoules per mol (kJ/mol).

Cada substància té un valor propi i fix de calor de combustió, determinat experimentalment. Una calculadora no mesura aquest valor. Consulta un valor conegut i l’escala segons la quantitat de combustible introduïda.

La reacció de combustió

La majoria dels combustibles que s’utilitzen en aquesta calculadora són hidrocarburs o compostos orgànics relacionats. Quan cremen completament, reaccionen amb l’oxigen per formar diòxid de carboni i aigua, i alliberen calor:

Combustible + O₂ → CO₂ + H₂O + calor

Per exemple, el metà crema segons CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + calor.

Dues substàncies de la calculadora funcionen de manera diferent. L’hidrogen no conté carboni, de manera que només forma aigua: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + calor. El monòxid de carboni no conté hidrogen, de manera que només forma diòxid de carboni: 2CO + O₂ → 2CO₂ + calor.

Com calcular la calor de combustió

L’energia total alliberada és igual a la quantitat de substància, en mols, multiplicada per la seva calor de combustió per mol:

$Q = n \times H$

on Q és la calor total alliberada, n la quantitat de substància en mols i H la calor de combustió en quilojoules per mol.

Si la quantitat s’expressa en grams o quilograms en lloc de mols, primer cal convertir-la utilitzant la massa molar de la substància, és a dir, la massa d’un mol expressada en grams:

• Massa en grams: $n = \frac{m}{M}$
• Massa en quilograms: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

on m és la massa i M la massa molar en grams per mol.

Un cop calculada l’energia en quilojoules, es pot convertir a altres unitats:

• 1 MJ = 1.000 kJ
• 1 kcal = 4,184 kJ exactament
• 1 kJ = 0,23901 kcal, arrodonit a cinc dígits

Exemple resolt

Quanta calor s’obté en cremar 10 grams de metà (CH₄)?

1. Massa molar de CH₄: 16,04 g/mol
2. Conversió a mols: 10 g ÷ 16,04 g/mol ≈ 0,623 mol
3. Calor de combustió del metà: 890 kJ/mol
4. Calor total: 0,623 mol × 890 kJ/mol ≈ 555 kJ

Aquesta quantitat de calor també equival aproximadament a 0,555 MJ o 133 kcal.

Valors de la calor de combustió de substàncies habituals

La taula indica la calor de combustió estàndard i la massa molar de cada substància de la calculadora, juntament amb l’energia alliberada per gram.

Per mol, el butà allibera més energia que les substàncies enumerades, seguit de la glucosa. Per gram, l’hidrogen allibera molta més energia que qualsevol de les altres, perquè la seva massa molar és molt baixa.

Per què varia la densitat d’energia

Les molècules formades principalment per carboni i hidrogen alliberen energia en trencar els enllaços C–H i C–C i formar nous enllaços en CO₂ i H₂O. En general, els hidrocarburs més grans alliberen més energia per mol perquè tenen més enllaços. Però l’energia per gram també depèn de la massa molar, de manera que una molècula lleugera com l’hidrogen pot alliberar més energia per gram encara que n’alliberi menys per mol.

Les substàncies que ja contenen oxigen, com l’etanol i la glucosa, alliberen menys energia per gram que els hidrocarburs purs de mida similar. Alguns dels seus enllaços ja estan parcialment oxidats abans que comenci la combustió, de manera que queda menys energia disponible per alliberar.

Com es mesura la calor de combustió

El mètode estàndard és la calorimetria de bomba. Una mostra pesada crema dins d’un recipient d’acer tancat i ple d’oxigen, submergit en una massa coneguda d’aigua. La calor alliberada escalfa l’aigua, i l’augment de temperatura, combinat amb la capacitat calorífica coneguda del calorímetre, permet determinar l’energia alliberada.

Poder calorífic superior i inferior

La calor de combustió es pot expressar de dues maneres, segons si l’aigua produïda acaba en estat líquid o de vapor. El poder calorífic superior (HHV) té en compte la calor addicional alliberada quan el vapor d’aigua es condensa i es transforma en líquid. El poder calorífic inferior (LHV) no la té en compte. Els valors utilitzats en aquesta calculadora són valors HHV, mesurats amb l’aigua produïda en estat líquid.

Preguntes més freqüents

Quina diferència hi ha entre el poder calorífic superior i l’inferior? El poder calorífic superior (HHV) inclou la calor alliberada quan el vapor d’aigua dels productes de combustió es condensa i es transforma en aigua líquida. El poder calorífic inferior (LHV) manté aquesta aigua en forma de vapor, de manera que dona un valor més baix. Aquesta calculadora utilitza valors HHV.

Quin combustible té la calor de combustió més alta? Entre les substàncies d’aquesta calculadora, el butà allibera més energia per mol (2.877 kJ/mol). Per gram, l’hidrogen n’allibera més (aproximadament 141,6 kJ/g), perquè la seva massa molar és molt baixa.

Puc calcular la calor de combustió d’una substància que no apareix a la llista? Aquesta calculadora només inclou les deu substàncies que s’hi indiquen. Per a qualsevol altre compost, la calor de combustió s’ha d’obtenir d’una referència de química o d’una mesura de laboratori i després introduir-la manualment en la mateixa fórmula.

Per què els hidrats de carboni, com la glucosa, alliberen menys energia per gram que els hidrocarburs? La glucosa ja conté àtoms d’oxigen en la seva estructura, de manera que els seus àtoms de carboni estan parcialment oxidats abans que comenci la combustió. En queda menys energia per alliberar que en un hidrocarbur pur de mida similar.

La calor de combustió és el mateix que les calories dels aliments? Mesuren el mateix tipus de magnitud, l’energia alliberada en oxidar una substància, però les calories alimentàries (quilocalories) indicades a les etiquetes provenen d’una combinació de nutrients i tenen en compte el que l’organisme absorbeix i metabolitza realment, no només l’energia química màxima de la combustió completa.

És perillós provar reaccions de combustió a casa? La combustió és exotèrmica i pot encendre els materials del voltant o provocar una acumulació de pressió en espais tancats. Les proves amb combustibles o la construcció de calorímetres només s’han de fer amb la formació, la ventilació i l’equip de seguretat adequats.