Verbrennungswärme-Rechner - Freigesetzte Energie | Kostenlos

Verbrennungswärmerechner

Ein Rechner für die Verbrennungswärme ermittelt die Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Brennstoff vollständig in Sauerstoff verbrennt. Er wandelt eine Stoffmenge in Mol, Gramm oder Kilogramm in einen Energiewert in Kilojoule, Megajoule oder Kilokalorien um.

Was ist die Verbrennungswärme?

Die Verbrennungswärme, auch Verbrennungsenthalpie genannt, ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Mol eines Stoffes unter Standardbedingungen (25 °C und 1 Atmosphäre Druck) vollständig in Sauerstoff verbrennt. Verbrennung ist eine exotherme Reaktion, das heißt, sie setzt Energie frei, statt sie zu absorbieren. Der Wert wird üblicherweise in Kilojoule pro Mol (kJ/mol) angegeben.

Jeder Stoff hat eine eigene feste Verbrennungswärme, die experimentell bestimmt wird. Ein Rechner misst diesen Wert nicht. Er ruft einen bekannten Wert ab und skaliert ihn auf die eingegebene Brennstoffmenge.

Die Verbrennungsreaktion

Die meisten in diesem Rechner verwendeten Brennstoffe sind Kohlenwasserstoffe oder verwandte organische Verbindungen. Bei vollständiger Verbrennung reagieren sie mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser und setzen Wärme frei:

Brennstoff + O₂ → CO₂ + H₂O + Wärme

Beispielsweise verbrennt Methan gemäß CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + Wärme.

Zwei Stoffe im Rechner verhalten sich anders. Wasserstoff enthält keinen Kohlenstoff und bildet daher nur Wasser: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + Wärme. Kohlenmonoxid enthält keinen Wasserstoff und bildet daher nur Kohlenstoffdioxid: 2CO + O₂ → 2CO₂ + Wärme.

So wird die Verbrennungswärme berechnet

Die insgesamt freigesetzte Energie entspricht der Stoffmenge in Mol multipliziert mit ihrer Verbrennungswärme pro Mol:

$Q = n \times H$

Dabei ist Q die insgesamt freigesetzte Wärme, n die Stoffmenge in Mol und H die Verbrennungswärme in Kilojoule pro Mol.

Ist die Menge in Gramm oder Kilogramm statt in Mol angegeben, wird sie zunächst mithilfe der molaren Masse des Stoffes umgerechnet, also der Masse eines Mols in Gramm:

• Masse in Gramm: $n = \frac{m}{M}$
• Masse in Kilogramm: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

Dabei ist m die Masse und M die molare Masse in Gramm pro Mol.

Nach der Berechnung der Energie in Kilojoule kann sie in andere Einheiten umgerechnet werden:

• 1 MJ = 1.000 kJ
• 1 kcal = 4,184 kJ genau
• 1 kJ = 0,23901 kcal, auf fünf Stellen gerundet

Durchgerechnetes Beispiel

Wie viel Wärme entsteht bei der Verbrennung von 10 Gramm Methan (CH₄)?

1. Molare Masse von CH₄: 16,04 g/Mol
2. Umrechnung in Mol: 10 g ÷ 16,04 g/Mol ≈ 0,623 mol
3. Verbrennungswärme von Methan: 890 kJ/Mol
4. Gesamtwärme: 0,623 mol × 890 kJ/Mol ≈ 555 kJ

Diese Wärmemenge entspricht außerdem etwa 0,555 MJ oder 133 kcal.

Verbrennungswärme gängiger Stoffe

Die Tabelle führt für jeden Stoff im Rechner die Standard-Verbrennungswärme und die molare Masse sowie die pro Gramm freigesetzte Energie auf.

Pro Mol setzt Butan unter den aufgeführten Stoffen die meiste Energie frei, gefolgt von Glucose. Pro Gramm setzt Wasserstoff deutlich mehr Energie frei als alle anderen, weil seine molare Masse so gering ist.

Warum die Energiedichte variiert

Moleküle, die hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind, setzen Energie frei, wenn C–H- und C–C-Bindungen aufgebrochen und neue Bindungen in CO₂ und H₂O gebildet werden. Größere Kohlenwasserstoffe setzen im Allgemeinen pro Mol mehr Energie frei, weil sie mehr Bindungen besitzen. Die Energie pro Gramm hängt jedoch ebenfalls von der molaren Masse ab. Daher kann ein leichtes Molekül wie Wasserstoff pro Gramm mehr Energie freisetzen, obwohl es pro Mol weniger freisetzt.

Stoffe, die bereits Sauerstoff enthalten, etwa Ethanol und Glucose, setzen pro Gramm weniger Energie frei als reine Kohlenwasserstoffe ähnlicher Größe. Einige ihrer Bindungen sind bereits vor Beginn der Verbrennung teilweise oxidiert, sodass weniger Energie freigesetzt werden kann.

So wird die Verbrennungswärme gemessen

Das Standardverfahren ist die Bombenkalorimetrie. Eine gewogene Probe verbrennt in einem verschlossenen, mit Sauerstoff gefüllten Stahlbehälter, der in eine bekannte Wassermasse eingetaucht ist. Die freigesetzte Wärme erwärmt das Wasser. Der Temperaturanstieg ergibt zusammen mit der bekannten Wärmekapazität des Kalorimeters die freigesetzte Energie.

Brennwert und Heizwert

Die Verbrennungswärme kann auf zwei Arten angegeben werden, je nachdem, ob das entstehende Wasser als Flüssigkeit oder Dampf vorliegt. Der obere Heizwert (HHV) berücksichtigt die zusätzliche Wärme, die bei der Kondensation von Wasserdampf zu flüssigem Wasser freigesetzt wird. Der untere Heizwert (LHV) berücksichtigt diese Wärme nicht. Die in diesem Rechner verwendeten Werte sind HHV-Werte, gemessen mit flüssigem Wasser als Verbrennungsprodukt.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Brennwert und Heizwert? Der Brennwert (HHV) umfasst die Wärme, die freigesetzt wird, wenn Wasserdampf in den Verbrennungsprodukten zu flüssigem Wasser kondensiert. Beim Heizwert (LHV) bleibt dieses Wasser gasförmig, daher fällt der angegebene Wert kleiner aus. Dieser Rechner verwendet HHV-Werte.

Welcher Brennstoff hat die höchste Verbrennungswärme? Unter den Stoffen in diesem Rechner setzt Butan pro Mol die meiste Energie frei (2.877 kJ/Mol). Pro Gramm setzt Wasserstoff mit etwa 141,6 kJ/g am meisten frei, weil seine molare Masse sehr gering ist.

Kann ich die Verbrennungswärme eines nicht aufgeführten Stoffes berechnen? Dieser Rechner umfasst nur die zehn enthaltenen Stoffe. Für jede andere Verbindung muss die Verbrennungswärme einer chemischen Referenzquelle oder einer Labormessung entnommen und anschließend von Hand in dieselbe Formel eingesetzt werden.

Warum setzen Kohlenhydrate wie Glucose pro Gramm weniger Energie frei als Kohlenwasserstoffe? Glucose enthält bereits Sauerstoffatome in ihrer Struktur, sodass ihre Kohlenstoffatome vor Beginn der Verbrennung teilweise oxidiert sind. Im Vergleich zu einem reinen Kohlenwasserstoff ähnlicher Größe steht daher weniger Energie zur Freisetzung zur Verfügung.

Ist die Verbrennungswärme dasselbe wie die Kalorien in Lebensmitteln? Sie messen dieselbe Art von Größe, nämlich die durch Oxidation eines Stoffes freigesetzte Energie. Die auf Etiketten angegebenen Lebensmittelkalorien (Kilokalorien) stammen jedoch aus einer Mischung von Nährstoffen und berücksichtigen, was der Körper tatsächlich absorbiert und verstoffwechselt, nicht nur die maximale chemische Energie einer vollständigen Verbrennung.

Sind Verbrennungsreaktionen zu Hause gefährlich zu testen? Verbrennung ist exotherm und kann umliegendes Material entzünden oder in geschlossenen Räumen Druck aufbauen. Brennstoffe zu testen oder Kalorimeter zu bauen, sollte nur mit entsprechender Ausbildung, ausreichender Belüftung und geeigneter Schutzausrüstung erfolgen.