Põlemissoojuse kalkulaator - Vabanenud energia | Tasuta

Põlemissoojuse kalkulaator

Põlemissoojuse kalkulaator leiab energia, mis vabaneb kütuse täielikul põlemisel hapnikus. See teisendab ainehulga moolides, grammides või kilogrammides energiahulgaks kilodžaulides, megadžaulides või kilokalorites.

Mis on põlemissoojus?

Põlemissoojus, mida nimetatakse ka põlemise entalpiaks, on energia, mis vabaneb ühe mooli aine täielikul põlemisel hapnikus standardtingimustel (25 °C ja rõhul 1 atmosfääri). Põlemine on eksotermiline reaktsioon, mis tähendab, et see vabastab energiat, mitte ei neela seda. Väärtus esitatakse tavaliselt kilodžaulides mooli kohta (kJ/mol).

Igal ainel on kindel põlemissoojus, mis leitakse katseliselt. Kalkulaator seda väärtust ei mõõda. See otsib teadaoleva väärtuse ja kohandab selle sisestatud kütusekogusele.

Põlemisreaktsioon

Enamik selles kalkulaatoris kasutatavaid kütuseid on süsivesinikud või nendega seotud orgaanilised ühendid. Täielikul põlemisel reageerivad need hapnikuga, moodustades süsinikdioksiidi ja vett ning eraldades soojust:

Kütus + O₂ → CO₂ + H₂O + soojus

Näiteks metaan põleb järgmiselt: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + soojus.

Kaks kalkulaatoris olevat ainet käituvad teisiti. Vesinik ei sisalda süsinikku, seega moodustab see ainult vett: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + soojus. Süsinikmonooksiid ei sisalda vesinikku, seega moodustab see ainult süsinikdioksiidi: 2CO + O₂ → 2CO₂ + soojus.

Kuidas arvutada põlemissoojust?

Vabanev koguenergia võrdub ainehulga moolides korrutatuna selle põlemissoojusega ühe mooli kohta:

$Q = n \times H$

kus Q on vabanev kogu soojushulk, n ainehulk moolides ja H põlemissoojus kilodžaulides mooli kohta.

Kui ainehulk on antud moolide asemel grammides või kilogrammides, teisendatakse see kõigepealt aine molaarmassi abil; molaarmass on ühe mooli mass grammides:

• Mass grammides: $n = \frac{m}{M}$
• Mass kilogrammides: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

kus m on mass ja M molaarmass grammides mooli kohta.

Kui energia on arvutatud kilodžaulides, saab selle teisendada muudesse ühikutesse:

• 1 MJ = 1 000 kJ
• 1 kcal = täpselt 4,184 kJ
• 1 kJ = 0,23901 kcal, ümardatuna viie numbrini

Näidisarvutus

Kui palju soojust eraldub 10 grammi metaani (CH₄) põletamisel?

1. CH₄ molaarmass: 16,04 g/mol
2. Teisendamine moolideks: 10 g ÷ 16,04 g/mol ≈ 0,623 mol
3. Metaani põlemissoojus: 890 kJ/mol
4. Kogu soojushulk: 0,623 mol × 890 kJ/mol ≈ 555 kJ

See soojushulk võrdub ka ligikaudu 0,555 MJ või 133 kcal-ga.

Levinud ainete põlemissoojuse väärtused

Tabelis on iga kalkulaatoris oleva aine standardne põlemissoojus ja molaarmass ning ühe grammi kohta vabanev energia.

Ühe mooli kohta vabastab butaan loetletud ainetest kõige rohkem energiat, sellele järgneb glükoos. Ühe grammi kohta vabastab vesinik teistest palju rohkem energiat, sest selle molaarmass on väga väike.

Miks energiatihedus varieerub?

Peamiselt süsinikust ja vesinikust koosnevad molekulid vabastavad energiat C–H- ja C–C-sidemete lõhkumisel ning uute sidemete moodustumisel ühendites CO₂ ja H₂O. Suuremad süsivesinikud vabastavad üldiselt ühe mooli kohta rohkem energiat, sest neis on rohkem sidemeid. Energia ühe grammi kohta sõltub aga ka molaarmassist, mistõttu võib kerge molekul, näiteks vesinik, vabastada ühe grammi kohta rohkem energiat, kuigi ühe mooli kohta eraldub seda vähem.

Juba hapnikku sisaldavad ained, näiteks etanool ja glükoos, vabastavad ühe grammi kohta vähem energiat kui sarnase suurusega puhtad süsivesinikud. Osa nende sidemeid on enne põlemise algust juba osaliselt oksüdeerunud, mistõttu vabanemiseks on saadaval vähem energiat.

Kuidas põlemissoojust mõõdetakse?

Standardmeetod on pommkalorimeetria. Kaalutud proov põleb suletud, hapnikuga täidetud terasanumas, mis on paigutatud teadaoleva veemassiga vette. Vabanev soojus soojendab vett ning temperatuuritõus koos kalorimeetri teadaoleva soojusmahtuvusega annab vabaneva energia.

Kõrgem ja madalam kütteväärtus

Põlemissoojust võib esitada kahel viisil, olenevalt sellest, kas tekkiv vesi jääb vedelaks või auruks. Kõrgem kütteväärtus (HHV) arvestab lisasoojust, mis vabaneb veeauru kondenseerumisel vedelaks veeks. Madalam kütteväärtus (LHV) seda ei arvesta. Selles kalkulaatoris kasutatavad väärtused on HHV-väärtused, mis on mõõdetud nii, et tekkiv vesi on vedelas olekus.

Korduma kippuvad küsimused

Mis vahe on kõrgemal ja madalamal kütteväärtusel? Kõrgem kütteväärtus (HHV) hõlmab soojust, mis vabaneb põlemissaadustes oleva veeauru kondenseerumisel vedelaks veeks. Madalama kütteväärtuse (LHV) puhul jääb see vesi auruks, mistõttu on esitatav väärtus väiksem. See kalkulaator kasutab HHV-väärtusi.

Millisel kütusel on suurim põlemissoojus? Selles kalkulaatoris olevatest ainetest vabastab butaan ühe mooli kohta kõige rohkem energiat (2 877 kJ/mol). Ühe grammi kohta vabastab kõige rohkem energiat vesinik (ligikaudu 141,6 kJ/g), sest selle molaarmass on väga väike.

Kas põlemissoojust saab arvutada ka ainele, mida loetelus pole? See kalkulaator hõlmab ainult kümmet selles sisalduvat ainet. Mis tahes muu ühendi puhul tuleb selle põlemissoojus leida keemia teatmeteosest või laborimõõtmise abil ning seejärel sisestada samasse valemisse käsitsi.

Miks vabastavad süsivesikud, näiteks glükoos, ühe grammi kohta vähem energiat kui süsivesinikud? Glükoos sisaldab oma struktuuris juba hapnikuaatomeid, mistõttu on selle süsinikuaatomid enne põlemise algust osaliselt oksüdeerunud. Võrreldes sarnase suurusega puhta süsivesinikuga jääb vabanemiseks vähem energiat.

Kas põlemissoojus on sama mis toidus sisalduvad kalorid? Need mõõdavad sama liiki suurust ehk aine oksüdeerimisel vabanevat energiat, kuid toiduainete etikettidel esitatud kalorid (kilokalorid) pärinevad toitainete segust ning arvestavad seda, mida organism tegelikult omastab ja metaboliseerib, mitte ainult täielikul põlemisel vabanevat maksimaalset keemilist energiat.

Kas põlemisreaktsioonide katsetamine kodus on ohtlik? Põlemine on eksotermiline ning võib süüdata ümbritsevaid materjale või tekitada suletud ruumides rõhu tõusu. Kütuste katsetamist või kalorimeetrite ehitamist tohib teha ainult asjakohase väljaõppe, ventilatsiooni ja ohutusvarustuse olemasolul.