Калкулатор топлоте сагоревања - Ослобођена енергија | Бесплатно

Калкулатор топлоте сагоревања

Калкулатор топлоте сагоревања одређује енергију која се ослобађа када гориво потпуно сагори у кисеонику. Он претвара количину супстанце, изражену у моловима, грамима или килограмима, у вредност енергије у килод‌жулима, мегад‌жулима или килокалоријама.

Шта је топлота сагоревања?

Топлота сагоревања, која се назива и енталпија сагоревања, јесте енергија која се ослобађа када један мол супстанце потпуно сагори у кисеонику под стандардним условима (25 °C и притисак од 1 атмосфере). Сагоревање је егзотермна реакција, што значи да ослобађа енергију, а не да је апсорбује. Вредност се обично наводи у килод‌жулима по молу (kJ/mol).

Свака супстанца има сопствену сталну топлоту сагоревања, која се утврђује експериментом. Калкулатор не мери ову вредност. Он преузима познату вредност и прилагођава је унетој количини горива.

Реакција сагоревања

Већина горива која се користе у овом калкулатору јесу угљоводоници или сродна органска једињења. Када потпуно сагоре, реагују са кисеоником и стварају угљен-диоксид и воду, при чему се ослобађа топлота:

Гориво + O₂ → CO₂ + H₂O + топлота

На пример, метан сагорева према једначини CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + топлота.

Две супстанце у калкулатору понашају се другачије. Водоник не садржи угљеник, па ствара само воду: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + топлота. Угљен-моноксид не садржи водоник, па ствара само угљен-диоксид: 2CO + O₂ → 2CO₂ + топлота.

Како се израчунава топлота сагоревања

Укупна ослобођена енергија једнака је количини супстанце, израженој у моловима, помноженој њеном топлотом сагоревања по молу:

$Q = n \times H$

где је Q укупна ослобођена топлота, n количина супстанце у моловима, а H топлота сагоревања у килод‌жулима по молу.

Ако је количина дата у грамима или килограмима, а не у моловима, најпре је претворите помоћу моларне масе супстанце, односно масе једног мола изражене у грамима:

• Маса у грамима: $n = \frac{m}{M}$
• Маса у килограмима: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

где је m маса, а M моларна маса у грамима по молу.

Када се енергија израчуна у килод‌жулима, може се претворити у друге јединице:

• 1 MJ = 1.000 kJ
• 1 kcal = 4,184 kJ тачно
• 1 kJ = 0,23901 kcal, заокружено на пет цифара

Решен пример

Колико топлоте настаје сагоревањем 10 грама метана (CH₄)?

1. Моларна маса CH₄: 16,04 g/mol
2. Претварање у молове: 10 g ÷ 16,04 g/mol ≈ 0,623 mol
3. Топлота сагоревања метана: 890 kJ/mol
4. Укупна топлота: 0,623 mol × 890 kJ/mol ≈ 555 kJ

Та количина топлоте једнака је и приближно 0,555 MJ или 133 kcal.

Вредности топлоте сагоревања за уобичајене супстанце

Табела наводи стандардну топлоту сагоревања и моларну масу сваке супстанце у калкулатору, заједно са енергијом ослобођеном по граму.

По молу, бутан ослобађа највише енергије од наведених супстанци, а следи га глукоза. По граму, водоник ослобађа знатно више енергије од свих осталих супстанци, јер је његова моларна маса веома мала.

Зашто се енергетска густина разликује

Молекули изграђени углавном од угљеника и водоника ослобађају енергију тако што раскидају везе C–H и C–C и стварају нове везе у CO₂ и H₂O. Већи угљоводоници обично ослобађају више енергије по молу јер имају више веза. Међутим, енергија по граму зависи и од моларне масе, па лаки молекул као што је водоник може ослободити више енергије по граму иако је ослобађа мање по молу.

Супстанце које већ садрже кисеоник, као што су етанол и глукоза, ослобађају мање енергије по граму од чистих угљоводоника сличне величине. Неке њихове везе су већ делимично оксидоване пре почетка сагоревања, па се може ослободити мање енергије.

Како се мери топлота сагоревања

Стандардна метода је бомбна калориметрија. Измерени узорак сагорева унутар затворене челичне посуде напуњене кисеоником, потопљене у познату масу воде. Ослобођена топлота загрева воду, а пораст температуре, заједно са познатим топлотним капацитетом калориметра, даје ослобођену енергију.

Горња и доња топлотна моћ

Топлота сагоревања може се навести на два начина, у зависности од тога да ли настала вода на крају остаје у течном или парном стању. Горња топлотна моћ (HHV) обухвата додатну топлоту која се ослобађа када се водена пара кондензује у течност. Доња топлотна моћ (LHV) то не обухвата. Вредности коришћене у овом калкулатору јесу вредности HHV, измерене тако да је производ воде у течном стању.

Најчешће постављана питања

Која је разлика између горње и доње топлотне моћи? Горња топлотна моћ (HHV) обухвата топлоту која се ослобађа када се водена пара у производима сагоревања кондензује у течну воду. Доња топлотна моћ (LHV) оставља ту воду у облику паре, па наводи мању вредност. Овај калкулатор користи вредности HHV.

Које гориво има највећу топлоту сагоревања? Међу супстанцама у овом калкулатору, бутан ослобађа највише енергије по молу (2.877 kJ/mol). По граму, највише ослобађа водоник (око 141,6 kJ/g), јер је његова моларна маса веома мала.

Могу ли да израчунам топлоту сагоревања супстанце која није наведена? Овај калкулатор обухвата само десет супстанци које су у њему наведене. За свако друго једињење, топлота сагоревања мора се преузети из хемијског приручника или утврдити лабораторијским мерењем, а затим се ручно унети у исту формулу.

Зашто угљени хидрати попут глукозе ослобађају мање енергије по граму од угљоводоника? Глукоза већ садржи атоме кисеоника у својој структури, па су њени атоми угљеника делимично оксидовани пре почетка сагоревања. У поређењу са чистим угљоводоником сличне величине, преостаје мање енергије за ослобађање.

Да ли је топлота сагоревања исто што и калорије у храни? Оне мере исту врсту величине, енергију ослобођену оксидацијом супстанце, али калорије у храни (килокалорије) наведене на декларацијама потичу од мешавине хранљивих материја и узимају у обзир оно што тело стварно апсорбује и метаболише, а не само максималну хемијску енергију при потпуном сагоревању.

Да ли су реакције сагоревања опасне за испитивање код куће? Сагоревање је егзотермно и може запалити материјал у околини или створити притисак у затвореним просторима. Испитивање горива или израда калориметара смеју се обављати само уз одговарајућу обуку, проветравање и заштитну опрему.