Калькулятор теплоты сгорания - Выделенная энергия | Бесплатно

Калькулятор теплоты сгорания

Калькулятор теплоты сгорания определяет энергию, выделяющуюся при полном сгорании топлива в кислороде. Он переводит количество вещества, заданное в молях, граммах или килограммах, в значение энергии в килоджоулях, мегаджоулях или килокалориях.

Что такое теплота сгорания?

Теплота сгорания, также называемая энтальпией сгорания, — это энергия, выделяющаяся при полном сгорании одного моля вещества в кислороде при стандартных условиях (25 °C и давление 1 атмосфера). Горение является экзотермической реакцией, то есть выделяет энергию, а не поглощает её. Обычно значение выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль).

Для каждого вещества существует собственная фиксированная теплота сгорания, определяемая экспериментально. Калькулятор не измеряет это значение. Он использует известное значение и масштабирует его в соответствии с введённым количеством топлива.

Реакция горения

Большинство видов топлива, используемых в этом калькуляторе, — углеводороды или родственные им органические соединения. При полном сгорании они реагируют с кислородом с образованием углекислого газа и воды, выделяя тепло:

Топливо + O₂ → CO₂ + H₂O + тепло

Например, метан горит по уравнению CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + тепло.

Два вещества в калькуляторе реагируют иначе. Водород не содержит углерода, поэтому образует только воду: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + тепло. Угарный газ не содержит водорода, поэтому образует только углекислый газ: 2CO + O₂ → 2CO₂ + тепло.

Как рассчитать теплоту сгорания

Общая выделившаяся энергия равна количеству вещества в молях, умноженному на теплоту сгорания одного моля:

$Q = n \times H$

где Q — общее количество выделившегося тепла, n — количество вещества в молях, а H — теплота сгорания в килоджоулях на моль.

Если количество задано в граммах или килограммах, а не в молях, сначала переведите его с использованием молярной массы вещества — массы одного моля в граммах:

• Масса в граммах: $n = \frac{m}{M}$
• Масса в килограммах: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

где m — масса, а M — молярная масса в граммах на моль.

После расчёта энергии в килоджоулях её можно перевести в другие единицы:

• 1 МДж = 1 000 кДж
• 1 ккал = ровно 4,184 кДж
• 1 кДж = 0,23901 ккал, с округлением до пяти знаков

Разобранный пример

Сколько тепла выделяется при сжигании 10 граммов метана (CH₄)?

1. Молярная масса CH₄: 16,04 г/моль
2. Перевод в моли: 10 г ÷ 16,04 г/моль ≈ 0,623 mol
3. Теплота сгорания метана: 890 кДж/моль
4. Общее количество тепла: 0,623 mol × 890 кДж/моль ≈ 555 кДж

Это количество тепла также равно примерно 0,555 МДж или 133 ккал.

Значения теплоты сгорания распространённых веществ

В таблице для каждого вещества, представленного в калькуляторе, указаны стандартная теплота сгорания и молярная масса, а также энергия, выделяющаяся на грамм.

На моль бутан выделяет больше всего энергии среди перечисленных веществ, за ним следует глюкоза. На грамм водород выделяет значительно больше энергии, чем остальные вещества, поскольку его молярная масса очень мала.

Почему различается плотность энергии

Молекулы, состоящие главным образом из углерода и водорода, выделяют энергию при разрыве связей C–H и C–C и образовании новых связей в CO₂ и H₂O. Более крупные углеводороды обычно выделяют больше энергии на моль, поскольку содержат больше связей. Однако энергия на грамм также зависит от молярной массы, поэтому лёгкая молекула, например водород, может выделять больше энергии на грамм, хотя на моль она выделяет меньше.

Вещества, уже содержащие кислород, например этанол и глюкоза, выделяют меньше энергии на грамм, чем чистые углеводороды сопоставимого размера. Некоторые их связи уже частично окислены до начала горения, поэтому доступно меньше энергии для выделения.

Как измеряют теплоту сгорания

Стандартный метод — бомбовая калориметрия. Взвешенную пробу сжигают внутри герметичного стального контейнера с кислородом, погружённого в известную массу воды. Выделившееся тепло нагревает воду, а повышение температуры вместе с известной теплоёмкостью калориметра позволяет определить выделившуюся энергию.

Высшая и низшая теплота сгорания

Теплоту сгорания можно указывать двумя способами — в зависимости от того, остаётся ли образовавшаяся вода жидкостью или превращается в пар. Высшая теплота сгорания (HHV) учитывает дополнительное тепло, выделяющееся при конденсации водяного пара в жидкость. Низшая теплота сгорания (LHV) его не учитывает. В этом калькуляторе используются значения HHV, измеренные при условии, что вода является жидким продуктом.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между высшей и низшей теплотой сгорания? Высшая теплота сгорания (HHV) включает тепло, выделяющееся при конденсации водяного пара в продуктах сгорания до жидкой воды. При расчёте низшей теплоты сгорания (LHV) эта вода остаётся паром, поэтому получается меньшее значение. В этом калькуляторе используются значения HHV.

Какое топливо имеет наибольшую теплоту сгорания? Среди веществ, представленных в этом калькуляторе, бутан выделяет больше всего энергии на моль (2 877 кДж/моль). На грамм больше всего выделяет водород — около 141,6 кДж/г, поскольку его молярная масса очень мала.

Можно ли рассчитать теплоту сгорания вещества, отсутствующего в списке? Этот калькулятор охватывает только десять включённых в него веществ. Для любого другого соединения значение теплоты сгорания необходимо взять из химического справочника или получить лабораторным измерением, а затем вручную подставить в ту же формулу.

Почему углеводы, например глюкоза, выделяют меньше энергии на грамм, чем углеводороды? Глюкоза уже содержит атомы кислорода в своей структуре, поэтому её атомы углерода частично окислены ещё до начала горения. По сравнению с чистым углеводородом сопоставимого размера остаётся меньше энергии для выделения.

Теплота сгорания — это то же самое, что калории в пище? Они измеряют один и тот же вид величины — энергию, выделяющуюся при окислении вещества, однако пищевые калории (килокалории), указанные на этикетках, рассчитываются для смеси питательных веществ и учитывают то, что организм фактически поглощает и усваивает, а не только максимальную химическую энергию при полном сгорании.

Опасно ли проверять реакции горения дома? Горение является экзотермическим процессом и может воспламенить окружающие материалы или привести к повышению давления в замкнутом пространстве. Испытания топлива или изготовление калориметров следует проводить только при наличии соответствующей подготовки, вентиляции и средств защиты.