מחשבון חום שריפה - אנרגיה משוחררת | חינם

מחשבון חום בעירה

מחשבון חום בעירה מוצא את האנרגיה המשתחררת כאשר דלק נשרף לחלוטין בחמצן. הוא ממיר כמות חומר, במולים, בגרמים או בקילוגרמים, לערך אנרגיה בקילוג׳אולים, במגה־ג׳אולים או בקילוקלוריות.

מהו חום בעירה?

חום בעירה, הנקרא גם אנטלפיית בעירה, הוא האנרגיה המשתחררת כאשר מול אחד של חומר נשרף לחלוטין בחמצן בתנאים תקניים (25 °C ובלחץ של 1 אטמוספרה). בעירה היא תגובה אקסותרמית, כלומר היא משחררת אנרגיה במקום לספוג אותה. הערך נכתב בדרך כלל בקילוג׳אולים למול (kJ/mol).

לכל חומר חום בעירה קבוע משלו, הנקבע בניסוי. מחשבון אינו מודד ערך זה. הוא מאתר ערך ידוע ומתאים אותו לכמות הדלק שהוזנה.

תגובת הבעירה

רוב הדלקים המשמשים במחשבון זה הם פחמימנים או תרכובות אורגניות קשורות. כאשר הם נשרפים לחלוטין, הם מגיבים עם חמצן ליצירת פחמן דו־חמצני ומים, ומשחררים חום:

דלק + O₂ → CO₂ + H₂O + חום

לדוגמה, מתאן נשרף כך: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + חום.

שני חומרים במחשבון פועלים אחרת. מימן אינו מכיל פחמן, ולכן יוצר מים בלבד: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + חום. פחמן חד־חמצני אינו מכיל מימן, ולכן יוצר פחמן דו־חמצני בלבד: 2CO + O₂ → 2CO₂ + חום.

כיצד לחשב את חום הבעירה

האנרגיה הכוללת המשתחררת שווה לכמות החומר, במולים, כפול חום הבעירה למול:

$Q = n \times H$

כאשר Q הוא החום הכולל המשתחרר, n היא כמות החומר במולים, ו־H הוא חום הבעירה בקילוג׳אולים למול.

אם הכמות נתונה בגרמים או בקילוגרמים במקום במולים, יש להמיר אותה תחילה באמצעות המסה המולרית של החומר, כלומר המסה של מול אחד בגרמים:

• מסה בגרמים: $n = \frac{m}{M}$
• מסה בקילוגרמים: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

כאשר m היא המסה ו־M היא המסה המולרית בגרמים למול.

לאחר חישוב האנרגיה בקילוג׳אולים, אפשר להמיר אותה ליחידות אחרות:

• 1 מגה־ג׳אול = 1,000 kJ
• 1 קילוקלוריה = 4.184 kJ בדיוק
• 1 kJ = 0.23901 קילוקלוריות, בעיגול לחמש ספרות

דוגמה פתורה

כמה חום מתקבל משריפת 10 גרמים של מתאן (CH₄)?

1. המסה המולרית של CH₄: 16.04 g למול
2. המרה למולים: 10 g ÷ 16.04 g למול ≈ 0.623 mol
3. חום הבעירה של מתאן: 890 kJ למול
4. החום הכולל: 0.623 mol × 890 kJ למול ≈ 555 kJ

כמות חום זו שווה גם לכ־0.555 מגה־ג׳אול או 133 קילוקלוריות.

ערכי חום הבעירה של חומרים נפוצים

הטבלה מציגה את חום הבעירה התקני ואת המסה המולרית של כל חומר במחשבון, לצד האנרגיה המשתחררת לגרם.

למול, בוטאן משחרר את כמות האנרגיה הגדולה ביותר מבין החומרים המפורטים, ואחריו גלוקוז. לגרם, מימן משחרר הרבה יותר אנרגיה מכל האחרים, משום שהמסה המולרית שלו נמוכה מאוד.

מדוע צפיפות האנרגיה משתנה

מולקולות הבנויות בעיקר מפחמן ומימן משחררות אנרגיה מפירוק קשרי C–H ו־C–C ומיצירת קשרים חדשים ב־CO₂ וב־H₂O. פחמימנים גדולים יותר משחררים בדרך כלל יותר אנרגיה למול, משום שיש בהם יותר קשרים. עם זאת, האנרגיה לגרם תלויה גם במסה המולרית, ולכן מולקולה קלה כמו מימן יכולה לשחרר יותר אנרגיה לגרם, אף שהיא משחררת פחות למול.

חומרים שכבר מכילים חמצן, כמו אתנול וגלוקוז, משחררים פחות אנרגיה לגרם מפחמימנים טהורים בגודל דומה. חלק מהקשרים שלהם כבר מחומצנים חלקית לפני תחילת הבעירה, ולכן נותרת פחות אנרגיה לשחרור.

כיצד מודדים חום בעירה

השיטה התקנית היא קלורימטריית פצצה. דגימה שנשקלה נשרפת בתוך מכל פלדה אטום המלא בחמצן, השקוע בכמות ידועה של מים. החום המשתחרר מחמם את המים, ועליית הטמפרטורה, יחד עם קיבול החום הידוע של הקלורימטר, נותנת את האנרגיה שהשתחררה.

הערך הקלורי הגבוה והערך הקלורי הנמוך

אפשר לדווח על חום בעירה בשתי דרכים, בהתאם לשאלה אם המים שנוצרו נותרים כנוזל או כאדים. הערך הקלורי הגבוה (HHV) כולל את החום הנוסף המשתחרר כאשר אדי מים מתעבים למים נוזליים. הערך הקלורי הנמוך (LHV) אינו כולל אותו. הערכים המשמשים במחשבון זה הם ערכי HHV, שנמדדו כאשר תוצר המים הוא נוזלי.

שאלות נפוצות

מה ההבדל בין הערך הקלורי הגבוה לערך הקלורי הנמוך? הערך הקלורי הגבוה (HHV) כולל את החום המשתחרר כאשר אדי מים בתוצרי הבעירה מתעבים למים נוזליים. הערך הקלורי הנמוך (LHV) משאיר את המים האלה במצב אדים, ולכן מציג מספר קטן יותר. מחשבון זה משתמש בערכי HHV.

איזה דלק הוא בעל חום הבעירה הגבוה ביותר? מבין החומרים שבמחשבון זה, בוטאן משחרר את כמות האנרגיה הגדולה ביותר למול (2,877 kJ למול). לגרם, מימן משחרר את הכמות הגדולה ביותר, בערך 141.6 kJ לגרם, משום שהמסה המולרית שלו נמוכה מאוד.

האם אפשר לחשב את חום הבעירה של חומר שאינו מופיע ברשימה? מחשבון זה כולל רק את עשרת החומרים המופיעים בו. עבור כל תרכובת אחרת, יש לקבל את חום הבעירה שלה ממקור בתחום הכימיה או ממדידה במעבדה, ולאחר מכן להציב אותו באותה נוסחה באופן ידני.

מדוע פחמימות כמו גלוקוז משחררות פחות אנרגיה לגרם מפחמימנים? גלוקוז כבר מכיל אטומי חמצן במבנה שלו, ולכן אטומי הפחמן שלו מחומצנים חלקית עוד לפני תחילת הבעירה. בהשוואה לפחמימן טהור בגודל דומה, נותרת פחות אנרגיה לשחרור.

האם חום בעירה זהה לקלוריות שבמזון? הם מודדים גודל מאותו סוג — אנרגיה המשתחררת מחמצון חומר — אך קלוריות המזון (קילוקלוריות) המדווחות על התוויות נובעות מתערובת של חומרי הזנה ומתחשבות במה שהגוף סופג ומעבד בפועל, ולא רק באנרגיה הכימית המרבית המתקבלת מבעירה מלאה.

האם מסוכן לבדוק תגובות בעירה בבית? בעירה היא אקסותרמית ועלולה להצית חומרים בסביבה או לגרום להצטברות לחץ בחללים סגורים. בדיקת דלקים או בניית קלורימטרים צריכות להתבצע רק לאחר הכשרה מתאימה ובנוכחות אוורור וציוד מגן הולמים.