Калькулятор теплоти згоряння - Вивільнена енергія | Безкоштовно

Калькулятор теплоти згоряння

Калькулятор теплоти згоряння визначає енергію, що виділяється під час повного згоряння палива в кисні. Він перетворює кількість речовини, задану в молях, грамах або кілограмах, у значення енергії в кілоджоулях, мегаджоулях або кілокалоріях.

Що таке теплота згоряння?

Теплота згоряння, яку також називають ентальпією згоряння, — це енергія, що виділяється, коли один моль речовини повністю згорає в кисні за стандартних умов (25 °C і тиску в 1 атмосферу). Горіння є екзотермічною реакцією, тобто воно виділяє енергію, а не поглинає її. Значення зазвичай записують у кілоджоулях на моль (кДж/моль).

Кожна речовина має власну сталу теплоту згоряння, визначену експериментально. Калькулятор не вимірює це значення. Він знаходить відоме значення та масштабує його відповідно до введеної кількості палива.

Реакція згоряння

Більшість палив, що використовуються в цьому калькуляторі, є вуглеводнями або спорідненими органічними сполуками. Під час повного згоряння вони реагують із киснем, утворюючи вуглекислий газ і воду та виділяючи тепло:

Паливо + O₂ → CO₂ + H₂O + тепло

Наприклад, метан згорає за рівнянням CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + тепло.

Дві речовини в калькуляторі реагують інакше. Водень не містить вуглецю, тому утворює лише воду: 2H₂ + O₂ → 2H₂O + тепло. Чадний газ не містить водню, тому утворює лише вуглекислий газ: 2CO + O₂ → 2CO₂ + тепло.

Як обчислити теплоту згоряння

Загальна енергія, що виділяється, дорівнює кількості речовини в молях, помноженій на теплоту згоряння на моль:

$Q = n \times H$

де Q — загальна кількість виділеної теплоти, n — кількість речовини в молях, а H — теплота згоряння в кілоджоулях на моль.

Якщо кількість задано в грамах або кілограмах, а не в молях, спочатку перетворіть її, використовуючи молярну масу речовини — масу одного моля в грамах:

• Маса в грамах: $n = \frac{m}{M}$
• Маса в кілограмах: $n = \frac{m \times 1000}{M}$

де m — маса, а M — молярна маса в грамах на моль.

Після обчислення енергії в кілоджоулях її можна перетворити в інші одиниці:

• 1 МДж = 1 000 кДж
• 1 ккал = точно 4,184 кДж
• 1 кДж = 0,23901 ккал, округлено до п’яти цифр

Приклад обчислення

Скільки теплоти виділиться під час спалювання 10 грамів метану (CH₄)?

1. Молярна маса CH₄: 16,04 г/моль
2. Перевести в молі: 10 г ÷ 16,04 г/моль ≈ 0,623 mol
3. Теплота згоряння метану: 890 кДж/моль
4. Загальна теплота: 0,623 mol × 890 кДж/моль ≈ 555 кДж

Ця кількість теплоти також дорівнює приблизно 0,555 МДж або 133 ккал.

Значення теплоти згоряння поширених речовин

У таблиці наведено стандартну теплоту згоряння та молярну масу кожної речовини в калькуляторі, а також енергію, що виділяється на грам.

На один моль бутан виділяє найбільше енергії серед наведених речовин, а за ним — глюкоза. На один грам водень виділяє набагато більше енергії, ніж будь-яка інша речовина, оскільки його молярна маса дуже мала.

Чому змінюється енергетична щільність

Молекули, що складаються переважно з вуглецю та водню, виділяють енергію під час розриву зв’язків C–H і C–C та утворення нових зв’язків у CO₂ і H₂O. Більші вуглеводні зазвичай виділяють більше енергії на моль, оскільки мають більше зв’язків. Однак енергія на грам також залежить від молярної маси, тому легка молекула, як-от водень, може виділяти більше енергії на грам, навіть якщо на моль вона виділяє менше.

Речовини, які вже містять кисень, як-от етанол і глюкоза, виділяють менше енергії на грам, ніж чисті вуглеводні подібного розміру. Частина їхніх зв’язків уже частково окиснена до початку згоряння, тому енергії для вивільнення залишається менше.

Як вимірюють теплоту згоряння

Стандартним методом є калориметрія в бомбі. Зважений зразок згорає всередині герметичної сталевої посудини, наповненої киснем, яка занурена у відому масу води. Виділене тепло нагріває воду, а підвищення температури разом із відомою теплоємністю калориметра дає змогу визначити виділену енергію.

Вища та нижча теплота згоряння

Теплоту згоряння можна наводити двома способами — залежно від того, чи утворена вода є рідиною або парою. Вища теплота згоряння (HHV) враховує додаткове тепло, що виділяється під час конденсації водяної пари в рідину. Нижча теплота згоряння (LHV) цього не враховує. У цьому калькуляторі використовуються значення HHV, виміряні за умови, що утворена вода є рідиною.

Поширені запитання

У чому різниця між вищою та нижчою теплотою згоряння? Вища теплота згоряння (HHV) включає тепло, що виділяється під час конденсації водяної пари в продуктах згоряння до рідкої води. Нижча теплота згоряння (LHV) вважає цю воду парою, тому дає менше значення. У цьому калькуляторі використовуються значення HHV.

Яке паливо має найвищу теплоту згоряння? Серед речовин у цьому калькуляторі бутан виділяє найбільше енергії на моль (2 877 кДж/моль). На грам найбільше енергії виділяє водень — приблизно 141,6 кДж/г, оскільки його молярна маса дуже мала.

Чи можна обчислити теплоту згоряння речовини, якої немає в списку? Цей калькулятор охоплює лише десять речовин, які до нього включено. Для будь-якої іншої сполуки її теплоту згоряння потрібно взяти з хімічного довідника або визначити лабораторно, а потім вручну підставити в ту саму формулу.

Чому вуглеводи, як-от глюкоза, виділяють менше енергії на грам, ніж вуглеводні? Глюкоза вже містить атоми кисню у своїй структурі, тому її атоми вуглецю частково окиснені ще до початку згоряння. Порівняно з чистим вуглеводнем подібного розміру енергії для вивільнення залишається менше.

Чи є теплота згоряння тим самим, що й калорії в їжі? Вони вимірюють один і той самий тип величини — енергію, що виділяється під час окиснення речовини, але харчові калорії (кілокалорії), зазначені на етикетках, походять із суміші поживних речовин і враховують те, що організм фактично засвоює та метаболізує, а не лише максимальну хімічну енергію повного згоряння.

Чи небезпечно випробовувати реакції згоряння вдома? Згоряння є екзотермічним процесом і може спричинити займання навколишніх матеріалів або підвищення тиску в замкнених просторах. Випробовувати паливо або виготовляти калориметри слід лише за наявності належної підготовки, вентиляції та засобів безпеки.