เครื่องคำนวณความร้อนการเผาไหม้ - พลังงานที่ปล่อยออกมา | ฟรี

เครื่องคำนวณความร้อนจากการเผาไหม้

เครื่องคำนวณความร้อนจากการเผาไหม้ใช้หาพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ในออกซิเจน โดยแปลงปริมาณสารในหน่วยโมล กรัม หรือกิโลกรัม เป็นค่าพลังงานในหน่วยกิโลจูล เมกะจูล หรือกิโลแคลอรี

ความร้อนจากการเผาไหม้คืออะไร?

ความร้อนจากการเผาไหม้ หรือเรียกอีกอย่างว่าเอนทัลปีของการเผาไหม้ คือพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อสารหนึ่งโมลเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ในออกซิเจนภายใต้สภาวะมาตรฐาน (25 °C และความดัน 1 บรรยากาศ) การเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน หมายความว่าปฏิกิริยาปล่อยพลังงานออกมาแทนที่จะดูดซับพลังงาน ค่านี้มักเขียนเป็นกิโลจูลต่อโมล (kJ/mol)

สารแต่ละชนิดมีค่าความร้อนจากการเผาไหม้คงที่เฉพาะตัว ซึ่งหาได้จากการทดลอง เครื่องคำนวณไม่ได้วัดค่านี้ แต่ค้นค่าที่ทราบอยู่แล้วและปรับตามปริมาณเชื้อเพลิงที่ป้อน

ปฏิกิริยาการเผาไหม้

เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ที่ใช้ในเครื่องคำนวณนี้เป็นไฮโดรคาร์บอนหรือสารประกอบอินทรีย์ที่เกี่ยวข้อง เมื่อเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ จะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเกิดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ พร้อมปล่อยความร้อน:

เชื้อเพลิง + O₂ → CO₂ + H₂O + ความร้อน

ตัวอย่างเช่น มีเทนเผาไหม้ดังนี้ CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + ความร้อน

สารสองชนิดในเครื่องคำนวณมีปฏิกิริยาแตกต่างออกไป ไฮโดรเจนไม่มีคาร์บอน จึงเกิดเป็นน้ำเพียงอย่างเดียว: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + ความร้อน ส่วนคาร์บอนมอนอกไซด์ไม่มีไฮโดรเจน จึงเกิดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์เพียงอย่างเดียว: 2CO + O₂ → 2CO₂ + ความร้อน

วิธีคำนวณความร้อนจากการเผาไหม้

พลังงานรวมที่ปล่อยออกมาเท่ากับปริมาณสารในหน่วยโมล คูณด้วยค่าความร้อนจากการเผาไหม้ต่อโมล:

$Q = n \times H$

โดยที่ Q คือปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ปล่อยออกมา n คือปริมาณสารในหน่วยโมล และ H คือความร้อนของการเผาไหม้ มีหน่วยเป็นกิโลจูลต่อโมล

หากปริมาณสารระบุเป็นกรัมหรือกิโลกรัมแทนโมล ให้แปลงหน่วยก่อนโดยใช้มวลโมลาร์ของสาร ซึ่งเป็นมวลของสารหนึ่งโมลในหน่วยกรัม:

• มวลเป็นกรัม: $n = \frac{m}{M}$
• มวลเป็นกิโลกรัม: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

โดยที่ m คือมวล และ M คือมวลโมลาร์ที่มีหน่วยเป็นกรัมต่อโมล

เมื่อคำนวณพลังงานเป็นกิโลจูลแล้ว สามารถแปลงเป็นหน่วยอื่นได้:

• 1 MJ = 1,000 kJ
• 1 kcal = 4.184 kJ พอดี
• 1 kJ = 0.23901 kcal ปัดเศษเป็นทศนิยม 5 หลัก

ตัวอย่างพร้อมวิธีทำ

การเผาไหม้มีเทน 10 กรัม (CH₄) ให้ความร้อนเท่าใด?

1. มวลโมลาร์ของ CH₄: 16.04 ก./mol
2. แปลงเป็นโมล: 10 ก. ÷ 16.04 ก./mol ≈ 0.623 mol
3. ความร้อนจากการเผาไหม้ของมีเทน: 890 kJ/mol
4. ความร้อนรวม: 0.623 mol × 890 kJ/mol ≈ 555 kJ

ความร้อนปริมาณนี้เทียบเท่าประมาณ 0.555 MJ หรือ 133 kcal

ค่าความร้อนจากการเผาไหม้ของสารทั่วไป

ตารางแสดงค่าความร้อนจากการเผาไหม้มาตรฐานและมวลโมลาร์ของสารแต่ละชนิดในเครื่องคำนวณ พร้อมทั้งพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อกรัม

เมื่อพิจารณาต่อโมล บิวเทนปล่อยพลังงานมากที่สุดในบรรดาสารที่แสดงในรายการ รองลงมาคือกลูโคส เมื่อพิจารณาต่อกรัม ไฮโดรเจนปล่อยพลังงานมากกว่าสารอื่นอย่างมาก เนื่องจากมีมวลโมลาร์ต่ำมาก

เหตุใดความหนาแน่นพลังงานจึงแตกต่างกัน

โมเลกุลที่ประกอบด้วยคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ปล่อยพลังงานจากการสลายพันธะ C–H และ C–C และการสร้างพันธะใหม่ใน CO₂ และ H₂O โดยทั่วไปไฮโดรคาร์บอนที่มีขนาดใหญ่กว่าจะปล่อยพลังงานต่อโมลมากกว่า เพราะมีพันธะมากกว่า แต่พลังงานต่อกรัมยังขึ้นอยู่กับมวลโมลาร์ด้วย ดังนั้นโมเลกุลเบาอย่างไฮโดรเจนจึงปล่อยพลังงานต่อกรัมได้มากกว่า แม้จะปล่อยพลังงานต่อโมลน้อยกว่า

สารที่มีออกซิเจนอยู่แล้ว เช่น เอทานอลและกลูโคส ปล่อยพลังงานต่อกรัมน้อยกว่าไฮโดรคาร์บอนบริสุทธิ์ที่มีขนาดใกล้เคียงกัน พันธะบางส่วนของสารเหล่านี้ถูกออกซิไดซ์ไปแล้วบางส่วนก่อนเริ่มการเผาไหม้ จึงมีพลังงานเหลือให้ปล่อยออกมาน้อยกว่า

วิธีวัดความร้อนจากการเผาไหม้

วิธีมาตรฐานคือการวัดความร้อนด้วยแคลอริมิเตอร์แบบบอมบ์ ตัวอย่างที่ชั่งมวลแล้วจะเผาไหม้ภายในภาชนะเหล็กปิดสนิทที่เติมออกซิเจนและจุ่มอยู่ในน้ำปริมาณมวลที่ทราบ ความร้อนที่ปล่อยออกมาจะทำให้น้ำอุ่นขึ้น และการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิร่วมกับความจุความร้อนที่ทราบของแคลอริมิเตอร์จะให้ค่าพลังงานที่ปล่อยออกมา

ค่าความร้อนสูงและค่าความร้อนต่ำ

ความร้อนจากการเผาไหม้สามารถรายงานได้สองแบบ ขึ้นอยู่กับว่าน้ำที่เกิดขึ้นมีสถานะเป็นของเหลวหรือไอ ค่าความร้อนสูง (HHV) นับรวมความร้อนส่วนเพิ่มที่ปล่อยออกมาเมื่อไอน้ำควบแน่นเป็นของเหลว ส่วนค่าความร้อนต่ำ (LHV) ไม่รวมความร้อนส่วนนี้ ค่าที่ใช้ในเครื่องคำนวณนี้เป็นค่า HHV ซึ่งวัดโดยถือว่าผลิตภัณฑ์น้ำอยู่ในสถานะของเหลว

คำถามที่พบบ่อย

ค่าความร้อนสูงและค่าความร้อนต่ำแตกต่างกันอย่างไร ค่าความร้อนสูง (HHV) รวมความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อไอน้ำในผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ควบแน่นเป็นน้ำของเหลว ส่วนค่าความร้อนต่ำ (LHV) ถือว่าน้ำยังคงเป็นไอ จึงรายงานค่าที่น้อยกว่า เครื่องคำนวณนี้ใช้ค่า HHV

เชื้อเพลิงชนิดใดมีค่าความร้อนจากการเผาไหม้สูงที่สุด ในบรรดาสารที่มีอยู่ในเครื่องคำนวณนี้ บิวเทนปล่อยพลังงานต่อโมลมากที่สุด (2,877 kJ/mol) เมื่อพิจารณาต่อกรัม ไฮโดรเจนปล่อยพลังงานมากที่สุด (ประมาณ 141.6 kJ/g) เนื่องจากมีมวลโมลาร์ต่ำมาก

สามารถคำนวณความร้อนจากการเผาไหม้ของสารที่ไม่ได้อยู่ในรายการได้หรือไม่ เครื่องคำนวณนี้ครอบคลุมเฉพาะสารสิบชนิดที่รวมอยู่ในเครื่องเท่านั้น สำหรับสารประกอบอื่น ค่าความร้อนจากการเผาไหม้ต้องนำมาจากเอกสารอ้างอิงทางเคมีหรือการวัดในห้องปฏิบัติการ แล้วจึงนำไปใส่ในสูตรเดียวกันด้วยตนเอง

เหตุใดคาร์โบไฮเดรตอย่างกลูโคสจึงปล่อยพลังงานต่อกรัมน้อยกว่าไฮโดรคาร์บอน กลูโคสมีอะตอมออกซิเจนอยู่ในโครงสร้างแล้ว ดังนั้นอะตอมคาร์บอนจึงถูกออกซิไดซ์ไปบางส่วนก่อนเริ่มการเผาไหม้ เมื่อเทียบกับไฮโดรคาร์บอนบริสุทธิ์ที่มีขนาดใกล้เคียงกัน พลังงานที่เหลือให้ปล่อยออกมาจึงน้อยกว่า

ความร้อนจากการเผาไหม้เหมือนกับแคลอรีในอาหารหรือไม่ ทั้งสองอย่างวัดปริมาณชนิดเดียวกัน คือพลังงานที่ปล่อยจากการออกซิไดซ์สาร แต่แคลอรีอาหาร (กิโลแคลอรี) ที่ระบุบนฉลากมาจากสารอาหารหลายชนิดรวมกัน และคำนึงถึงสิ่งที่ร่างกายดูดซึมและนำไปใช้ ไม่ใช่เพียงพลังงานเคมีสูงสุดจากการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์

การทดสอบปฏิกิริยาการเผาไหม้ที่บ้านเป็นอันตรายหรือไม่ การเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และอาจทำให้วัสดุโดยรอบติดไฟหรือทำให้เกิดความดันสะสมในพื้นที่ปิด การทดสอบเชื้อเพลิงหรือการสร้างแคลอริมิเตอร์ควรทำโดยผู้ที่ผ่านการฝึกอบรม มีการระบายอากาศที่เหมาะสม และใช้อุปกรณ์นิรภัยเท่านั้น