Sadedzināšanas siltuma kalkulators - Izdalītā enerģija | Bezmaksas

Sadegšanas siltuma kalkulators

Sadegšanas siltuma kalkulators nosaka enerģiju, kas izdalās, degvielai pilnībā sadegot skābeklī. Tas pārvērš vielas daudzumu molos, gramos vai kilogramos enerģijas vērtībā kilodžoulos, megadžoulos vai kilokalorijās.

Kas ir sadegšanas siltums?

Sadegšanas siltums, ko sauc arī par sadegšanas entalpiju, ir enerģija, kas izdalās, vienam vielas molam pilnībā sadegot skābeklī standarta apstākļos (25 °C un 1 atmosfēras spiedienā). Degšana ir eksotermiska reakcija, kas nozīmē, ka tā enerģiju izdala, nevis absorbē. Vērtību parasti izsaka kilodžoulos uz molu (kJ/mol).

Katrai vielai ir noteikts sadegšanas siltums, ko nosaka eksperimentāli. Kalkulators šo vērtību nemēra. Tas atrod zināmu vērtību un pielāgo to ievadītajam degvielas daudzumam.

Sadegšanas reakcija

Lielākā daļa šajā kalkulatorā izmantoto degvielu ir ogļūdeņraži vai saistīti organiskie savienojumi. Pilnīgi sadegot, tie reaģē ar skābekli, veidojot oglekļa dioksīdu un ūdeni, kā arī izdalot siltumu:

Degviela + O₂ → CO₂ + H₂O + siltums

Piemēram, metāns deg šādi: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + siltums.

Divas kalkulatorā iekļautās vielas reaģē citādi. Ūdeņradis nesatur oglekli, tāpēc veido tikai ūdeni: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + siltums. Oglekļa monoksīds nesatur ūdeņradi, tāpēc veido tikai oglekļa dioksīdu: 2CO + O₂ → 2CO₂ + siltums.

Kā aprēķināt sadegšanas siltumu

Kopējā izdalītā enerģija ir vielas daudzums molos, reizināts ar tās sadegšanas siltumu uz molu:

$Q = n \times H$

kur Q ir kopējais izdalītais siltums, n ir vielas daudzums molos un H ir sadegšanas siltums kilodžoulos uz molu.

Ja daudzums ir norādīts gramos vai kilogramos, nevis molos, vispirms to pārvērš, izmantojot vielas molmasu — viena mola masu gramos:

• Masa gramos: $n = \frac{m}{M}$
• Masa kilogramos: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

kur m ir masa, bet M — molmasa gramos uz molu.

Kad enerģija aprēķināta kilodžoulos, to var pārvērst citās mērvienībās:

• 1 MJ = 1 000 kJ
• 1 kcal = 4,184 kJ precīzi
• 1 kJ = 0,23901 kcal, noapaļojot līdz pieciem cipariem

Atrisināts piemērs

Cik daudz siltuma izdalās, sadedzinot 10 gramus metāna (CH₄)?

1. CH₄ molmasa: 16,04 g/mol
2. Pārvēršana molos: 10 g ÷ 16,04 g/mol ≈ 0,623 mol
3. Metāna sadegšanas siltums: 890 kJ/mol
4. Kopējais siltums: 0,623 mol × 890 kJ/mol ≈ 555 kJ

Šāds siltuma daudzums atbilst arī aptuveni 0,555 MJ jeb 133 kcal.

Biežāk sastopamo vielu sadegšanas siltuma vērtības

Tabulā katrai kalkulatorā iekļautajai vielai norādīts standarta sadegšanas siltums un molmasa, kā arī uz gramu izdalītā enerģija.

Uz vienu molu no uzskaitītajām vielām visvairāk enerģijas izdala butāns, kam seko glikoze. Uz vienu gramu daudz vairāk enerģijas nekā pārējās vielas izdala ūdeņradis, jo tā molmasa ir ļoti maza.

Kāpēc enerģijas blīvums atšķiras

Molekulas, kuru sastāvā galvenokārt ir ogleklis un ūdeņradis, izdala enerģiju, pārraujot C–H un C–C saites un veidojot jaunas saites CO₂ un H₂O. Lielāki ogļūdeņraži parasti izdala vairāk enerģijas uz molu, jo tajos ir vairāk saišu. Taču enerģija uz gramu ir atkarīga arī no molmasas, tāpēc viegla molekula, piemēram, ūdeņradis, var izdalīt vairāk enerģijas uz gramu, lai gan uz molu tā izdala mazāk.

Vielas, kas jau satur skābekli, piemēram, etanols un glikoze, izdala mazāk enerģijas uz gramu nekā līdzīga izmēra tīri ogļūdeņraži. Dažas to saites jau pirms sadegšanas sākuma ir daļēji oksidētas, tāpēc izdalīšanai pieejams mazāk enerģijas.

Kā mēra sadegšanas siltumu

Standarta metode ir bumbas kalorimetrija. Nosvērts paraugs sadeg noslēgtā, ar skābekli piepildītā tērauda tvertnē, kas iegremdēta zināmas masas ūdenī. Izdalītais siltums sasilda ūdeni, un temperatūras paaugstināšanās kopā ar kalorimetra zināmo siltumietilpību ļauj noteikt izdalīto enerģiju.

Augstākā un zemākā siltumspēja

Sadegšanas siltumu var norādīt divējādi atkarībā no tā, vai radies ūdens ir šķidrums vai tvaiks. Augstākā siltumspēja (HHV) ietver papildu siltumu, kas izdalās, ūdens tvaikam kondensējoties šķidrumā. Zemākā siltumspēja (LHV) to neietver. Šajā kalkulatorā izmantotas HHV vērtības, kas izmērītas, ūdenim sadegšanas produktā esot šķidrā stāvoklī.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kāda ir atšķirība starp augstāko un zemāko siltumspēju? Augstākā siltumspēja (HHV) ietver siltumu, kas izdalās, sadegšanas produktos esošajam ūdens tvaikam kondensējoties šķidrā ūdenī. Zemākā siltumspēja (LHV) atstāj šo ūdeni tvaika veidā, tāpēc uzrāda mazāku skaitli. Šajā kalkulatorā izmantotas HHV vērtības.

Kurai degvielai ir vislielākais sadegšanas siltums? No šajā kalkulatorā iekļautajām vielām butāns izdala visvairāk enerģijas uz molu (2 877 kJ/mol). Uz gramu visvairāk izdala ūdeņradis — aptuveni 141,6 kJ/g, jo tā molmasa ir ļoti maza.

Vai var aprēķināt tādas vielas sadegšanas siltumu, kas nav uzskaitīta? Šis kalkulators ietver tikai desmit vielas. Jebkura cita savienojuma sadegšanas siltums jāiegūst ķīmijas rokasgrāmatā vai laboratorijā, un pēc tam tas manuāli jāievieto tajā pašā formulā.

Kāpēc tādi ogļhidrāti kā glikoze izdala mazāk enerģijas uz gramu nekā ogļūdeņraži? Glikozes struktūrā jau ir skābekļa atomi, tāpēc tās oglekļa atomi pirms sadegšanas sākuma ir daļēji oksidēti. Salīdzinājumā ar līdzīga izmēra tīru ogļūdeņradi izdalīšanai paliek mazāk enerģijas.

Vai sadegšanas siltums ir tas pats, kas pārtikas kalorijas? Tie mēra viena veida lielumu — enerģiju, kas izdalās, oksidējot vielu, — taču uz pārtikas etiķetēm norādītās kalorijas (kilokalorijas) iegūst no dažādu uzturvielu kopuma un tajās ņem vērā to, ko organisms faktiski uzsūc un metabolizē, nevis tikai maksimālo ķīmisko enerģiju, kas izdalītos pilnīgas sadegšanas laikā.

Vai sadegšanas reakciju pārbaude mājās ir bīstama? Degšana ir eksotermiska un var aizdedzināt apkārtējos materiālus vai radīt spiediena paaugstināšanos slēgtās telpās. Degvielas pārbaude vai kalorimetru izgatavošana jāveic tikai ar atbilstošu apmācību, ventilāciju un drošības aprīkojumu.