Kalkulator topline izgaranja - Oslobođena energija | Besplatno

Kalkulator topline izgaranja

Kalkulator topline izgaranja određuje energiju koja se oslobađa kada gorivo potpuno izgori u kisiku. Količinu tvari, izraženu u molovima, gramima ili kilogramima, pretvara u energetsku vrijednost izraženu u kilodžulima, megadžulima ili kilokalorijama.

Što je toplina izgaranja?

Toplina izgaranja, koja se naziva i entalpija izgaranja, energija je koja se oslobađa kada jedan mol tvari potpuno izgori u kisiku pri standardnim uvjetima (25 °C i tlaku od 1 atmosfere). Izgaranje je egzotermna reakcija, što znači da oslobađa energiju, a ne da je apsorbira. Vrijednost se obično zapisuje u kilodžulima po molu (kJ/mol).

Svaka tvar ima vlastitu stalnu toplinu izgaranja, određenu eksperimentom. Kalkulator ne mjeri tu vrijednost. On dohvaća poznatu vrijednost i prilagođava je unesenoj količini goriva.

Reakcija izgaranja

Većina goriva koja se upotrebljavaju u ovom kalkulatoru jesu ugljikovodici ili srodni organski spojevi. Kada potpuno izgore, reagiraju s kisikom i stvaraju ugljikov dioksid i vodu te oslobađaju toplinu:

Gorivo + O₂ → CO₂ + H₂O + toplina

Na primjer, metan izgara prema jednadžbi CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + toplina.

Dvije tvari u kalkulatoru reagiraju drukčije. Vodik ne sadrži ugljik, pa stvara samo vodu: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + toplina. Ugljikov monoksid ne sadrži vodik, pa stvara samo ugljikov dioksid: 2CO + O₂ → 2CO₂ + toplina.

Kako izračunati toplinu izgaranja

Ukupna oslobođena energija jednaka je količini tvari, izraženoj u molovima, pomnoženoj njezinom toplinom izgaranja po molu:

$Q = n \times H$

gdje je Q ukupna oslobođena toplina, n količina tvari u molovima, a H toplina izgaranja u kilodžulima po molu.

Ako je količina zadana u gramima ili kilogramima umjesto u molovima, najprije je pretvorite pomoću molarne mase tvari, odnosno mase jednog mola izražene u gramima:

• Masa u gramima: $n = \frac{m}{M}$
• Masa u kilogramima: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

gdje je m masa, a M molarna masa u gramima po molu.

Nakon što se energija izračuna u kilodžulima, može se pretvoriti u druge jedinice:

• 1 MJ = 1.000 kJ
• 1 kcal = 4,184 kJ točno
• 1 kJ = 0,23901 kcal, zaokruženo na pet znamenki

Primjer s rješenjem

Koliko topline nastaje izgaranjem 10 grama metana (CH₄)?

1. Molarna masa CH₄: 16,04 g/mol
2. Pretvaranje u molove: 10 g ÷ 16,04 g/mol ≈ 0,623 mol
3. Toplina izgaranja metana: 890 kJ/mol
4. Ukupna toplina: 0,623 mol × 890 kJ/mol ≈ 555 kJ

Ta količina topline jednaka je i približno 0,555 MJ ili 133 kcal.

Vrijednosti topline izgaranja uobičajenih tvari

Tablica navodi standardnu toplinu izgaranja i molarnu masu svake tvari u kalkulatoru, zajedno s energijom oslobođenom po gramu.

Po molu, butan oslobađa najviše energije od navedenih tvari, a slijedi ga glukoza. Po gramu vodik oslobađa znatno više energije od svih ostalih tvari jer ima vrlo malu molarnu masu.

Zašto se gustoća energije razlikuje

Molekule sastavljene uglavnom od ugljika i vodika oslobađaju energiju raskidanjem veza C–H i C–C te stvaranjem novih veza u CO₂ i H₂O. Veći ugljikovodici općenito oslobađaju više energije po molu jer imaju više veza. No energija po gramu ovisi i o molarnoj masi, pa lagana molekula poput vodika može osloboditi više energije po gramu, iako je oslobađa manje po molu.

Tvari koje već sadrže kisik, poput etanola i glukoze, oslobađaju manje energije po gramu od čistih ugljikovodika slične veličine. Neke su njihove veze već djelomično oksidirane prije početka izgaranja, pa je na raspolaganju manje energije za oslobađanje.

Kako se mjeri toplina izgaranja

Standardna je metoda bombna kalorimetrija. Izvagani uzorak izgara u zatvorenoj čeličnoj posudi ispunjenoj kisikom, uronjenoj u poznatu masu vode. Oslobođena toplina zagrijava vodu, a porast temperature, zajedno s poznatim toplinskim kapacitetom kalorimetra, daje oslobođenu energiju.

Gornja i donja ogrjevna vrijednost

Toplina izgaranja može se navesti na dva načina, ovisno o tome završava li nastala voda kao tekućina ili para. Gornja ogrjevna vrijednost (HHV) uključuje dodatnu toplinu koja se oslobađa kada se vodena para kondenzira u tekućinu. Donja ogrjevna vrijednost (LHV) to ne uključuje. Vrijednosti upotrijebljene u ovom kalkulatoru jesu vrijednosti HHV-a, izmjerene uz vodu kao tekući produkt.

Često postavljana pitanja

Koja je razlika između gornje i donje ogrjevne vrijednosti? Gornja ogrjevna vrijednost (HHV) uključuje toplinu koja se oslobađa kada se vodena para u produktima izgaranja kondenzira u tekuću vodu. Donja ogrjevna vrijednost (LHV) ostavlja tu vodu u obliku pare, pa daje manji broj. Ovaj kalkulator upotrebljava vrijednosti HHV-a.

Koje gorivo ima najveću toplinu izgaranja? Među tvarima u ovom kalkulatoru butan oslobađa najviše energije po molu (2.877 kJ/mol). Po gramu najviše oslobađa vodik, približno 141,6 kJ/g, jer je njegova molarna masa vrlo mala.

Mogu li izračunati toplinu izgaranja tvari koja nije navedena? Ovaj kalkulator obuhvaća samo deset tvari koje su u njemu navedene. Za bilo koji drugi spoj toplina izgaranja mora se preuzeti iz kemijskog priručnika ili odrediti laboratorijskim mjerenjem, a zatim ručno unijeti u istu formulu.

Zašto ugljikohidrati poput glukoze oslobađaju manje energije po gramu od ugljikovodika? Glukoza već u svojoj strukturi sadrži atome kisika, pa su njezini atomi ugljika djelomično oksidirani prije početka izgaranja. U usporedbi s čistim ugljikovodikom slične veličine preostaje manje energije za oslobađanje.

Je li toplina izgaranja isto što i kalorije u hrani? One mjere istu vrstu veličine, energiju oslobođenu oksidacijom tvari, ali kalorije u hrani (kilokalorije) navedene na deklaracijama proizlaze iz mješavine hranjivih tvari i uzimaju u obzir ono što tijelo stvarno apsorbira i metabolizira, a ne samo najveću kemijsku energiju potpunog izgaranja.

Jesu li reakcije izgaranja opasne za ispitivanje kod kuće? Izgaranje je egzotermno i može zapaliti okolni materijal ili izazvati porast tlaka u zatvorenim prostorima. Ispitivanje goriva ili izrada kalorimetara smije se provoditi samo uz odgovarajuću obuku, ventilaciju i zaštitnu opremu.