كيفية حساب القيمة الحرارية

هل تساءلت يومًا من أين تأتي المعلومات المتعلقة بالسعرات الحرارية الموجودة على ملصقات الطعام؟ كيف يمكن معرفة مقدار الطاقة التي سيوفرها الطعام دون دراسة مساره فعليًا من الفم إلى أي خلايا تهب حتى استهلاك جزيئات الجلوكوز الناتجة عن الكربوهيدرات والدهون والبروتينات التي تشكل الأجزاء (غير المائية) من الطعام الذي تتناوله تأكل؟

محتوى السعرات الحرارية ، أو القيمة الحرارية، من مادة ما هي كمية الطاقة التي يتم تحريرها عندما "تحترق" المادة تمامًا ، أو تخضع للاحتراق الكامل. يعد الاحتراق أحد الأنواع الخمسة الأساسية للتفاعلات الكيميائية ، ويحدث دائمًا في وجود غاز الأكسجين (O₂) ، مع كون المتفاعل الآخر نوعًا من الوقود (عادةً ما يكون قائمًا على الكربون).

• عادةً ما تُعطى القيمة الحرارية لمادة ما على أساس الكمية ، أي لكل مول (م) من المادة المحترقة.

أولا ، بعض المصطلحات. أ السعرات الحرارية (كال) هو مقدار الحرارة (الطاقة) اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام (جرام) من الماء درجة واحدة مئوية (درجة مئوية). "السعرات الحرارية" على ملصقات التغذية هي في الواقع سعرات حرارية أو كيلو كالوري (1000 سعرة حرارية). في الكيمياء ، الوحدة القياسية للطاقة هي الجول (J) ، والتي تساوي 4.18 كالوري. وبالتالي ، فإن "السعرات الحرارية" الواحدة للطعام تساوي (1.000) (4.18) J = 4.18 كيلو جول.

يتم قياس محتوى الطاقة في الطعام عن طريق وضع كتلة معروفة من مادة معينة (على سبيل المثال ، الإيثانول ، والأحماض الأمينية ، والجلوكوز) في جهاز يسمى مسعر القنبلة وقياس كمية الحرارة المحررة عند اكتمال التفاعل. يتم تحقيق ذلك عن طريق قياس تغير درجة حرارة كتلة معروفة من الماء في المسعر المغلق.

هذا العلم الفرعي يسمى قياس السعرات الحراريةيسمح بالحساب النظري للقيمة الحرارية. يعتمد ذلك على معرفة كيف يغير مدخل طاقة معين كتلة ماء معروفة. في الواقع ، هذه الكمية تسمى حرارة محددة للماء، معروف منذ بعض الوقت وهو موضح أدناه. (المواد الأخرى لها درجات حرارة خاصة بها لاستخدامها في مواقف كيميائية مختلفة.)

معادلة حرارة الاحتراق (أو المحتوى الحراري للاحتراق) هي معادلة:

ح = m_C_ΔT

هنا ، H هي الحرارة الناتجة عن الاحتراق ، م هي الكتلة بالجرام من الماء المستخدم كمجمع للحرارة ، ج هل حرارة محددة للماء (4.184 J / g⋅ ° C) ، و T هي تغير درجة الحرارة بالدرجة المئوية.

غالبًا ما تبدو صيغة القيمة الحرارية مختلفة عن ذلك ، لأن H و C غالبًا ما يتم تمثيلهما برموز مختلفة. طالما أن الوحدات كلها محاذاة بحيث تترك مع وحدات الطاقة (يفضل J) ، فإن صيغة القيمة الحرارية الدقيقة التي تستخدمها لا تهم.

عينة 15.5 جرام من الإيثانول ، سي₂ح₆يتم حرق O (الكحول في "المشروبات البالغة") في 2000 غرام من H₂O (2 لتر في درجة حرارة الغرفة). ينتج عن هذا تغير في درجة الحرارة بمقدار 55 درجة مئوية. ما هي الحرارة المولية لاحتراق الإيثانول (حرارة الاحتراق لكل مول)؟ الرجوع إلى الجدول الدوري (انظر الموارد) للأوزان الجزيئية للعناصر.

أولاً ، استخدم الجدول الدوري لحساب عدد مولات الإيثانول الموجودة. يحتوي 1 مول على ذرتين C (الوزن الجزيئي ، أو MW ، 12.0 جم ؛ ست ذرات H (MW = 1.07 جم) ؛ وذرة أكسجين واحدة (MW = 16.0 جم). وهكذا 1 مول = (2) (12) + (6) (1) + 16 = 46.0 جم. لديك 15.5 جم ، لذا لديك 15.5 / 46.0 = 0.336 مول.

الآن ، راجع المعادلة أعلاه لمعرفة الطاقة المحررة من الكتلة م ، القيمة المعروفة لـ ج، وتغير درجة الحرارة ΔT من الماء:

H = (2،000 جم) (4.184 J / g⋅ ° C) (55 ° C) = 460،240 J = 460.24 kJ

الآن ، اقسم على عدد المولات الموجودة للحصول على الحرارة المولية لاحتراق الإيثانول:

(460.24 كيلوجول) / (0.336 مول) = 1،369 كيلوجول / مول.

هذا رقم كبير ، ما تتوقعه من شيء يمكن استخدامه لتشغيل السيارات.