Har du nogensinde spekuleret på, hvor oplysningerne om kalorier på madetiketter kommer fra? Hvordan er det muligt at vide, hvor meget energi mad vil give uden faktisk at studere dens vej fra munden til hvad cellerne snor sig op med at forbruge glukosemolekylerne genereret fra kulhydrater, fedtstoffer og proteiner, der udgør de (ikke-vand) portioner af mad, du spise?
Kalorieindholdet eller brændværdi, af et stof er den mængde energi, der frigøres, når stoffet "fuldstændigt" brændes "eller gennemgår fuldstændig forbrænding. Forbrænding er en af de fem basistyper af kemiske reaktioner, og den forekommer altid i nærvær af iltgas (O2), hvor den anden reaktant er en slags (normalt kulstofbaseret) brændstof.
- Brændværdien af et stof er normalt angivet pr. Mængde, det vil sige pr. Mol (m) forbrændt stof.
Hvordan måles brændselsenergi?
For det første nogle terminologi. EN kalorie (cal) er den mængde varme (energi), der er nødvendig for at hæve temperaturen på 1 g (gram) vand 1 grad Celsius (° C). "Kalorierne" på ernæringsetiketter er faktisk kilokalorier eller kcal (1.000 cal). I kemi er standardenheden for energi joule (J) svarende til 4,18 cal. Således er 1 mad "kalorie" lig med (1.000) (4.18) J = 4.18 kJ.
Madindholdets energiindhold måles ved at anbringe en kendt masse af et specifikt stof (fx ethanol, en aminosyre, glukose) i en enhed kaldet en bombe kalorimeter og måling af den frigjorte varme, når reaktionen afsluttes. Dette opnås ved at måle temperaturændringen af en kendt vandmasse i det forseglede kalorimeter.
Denne undervidenskab, kaldet kalorimetri, giver mulighed for en teoretisk beregning af brændværdi. Det afhænger af at vide, hvordan en given energiindgang ændrer en kendt vandmasse. Faktisk kaldes denne mængde specifik vandvarme, har været kendt i nogen tid og forklares nedenfor. (Andre stoffer har deres egen specifikke opvarmning til brug i forskellige kemiske situationer.)
Sådan beregnes brændstoffets brændværdi
Formlen for forbrændingsvarmen (eller forbrændingshalpien) er en ligning:
H = m_C_ΔT
Her er H den varme, der frigøres ved forbrænding, m er massen i gram af det vand, der bruges som varmesamler, C er specifik vandvarme (4.184 J / g⋅ ° C), og ΔT er temperaturændringen i ° C.
Brændværdiformlen ser ofte anderledes ud end dette, fordi H og C ofte er repræsenteret af forskellige symboler. Så længe enhederne alle stemmer overens, så du har energienheder (helst J), betyder den nøjagtige brændværdiformel, du bruger, ikke noget.
Eksempel på beregning af brændværdi
En prøve på 15,5 gram ethanol, C2H6O (alkoholen i "voksne drikkevarer") forbrændes i 2.000 g H2O (2 liter ved stuetemperatur). Dette resulterer i en temperaturændring på 55 ° C. Hvad er den molære forbrændingsvarme (forbrændingsvarmen pr. Mol) af ethanol? Der henvises til en periodisk tabel (se ressourcerne) for molekylvægte af grundstoffer.
Brug først et periodisk system til at beregne antallet af mol ethanol til stede. 1 mol indeholder to C-atomer (molekylvægt eller MW, på 12,0 g; seks H-atomer (MW = 1,07 g); og et oxygenatom (MW = 16,0 g). Således er 1 mol = (2) (12) + (6) (1) + 16 = 46,0 g. Du har 15,5 g, så du har 15,5 / 46,0 = 0,336 mol.
Se nu ligningen ovenfor for at finde ud af energien frigivet fra massen m, den kendte værdi af Cog temperaturændringen ΔT af vandet:
H = (2.000 g) (4.184 J / g⋅ ° C) (55 ° C) = 460.240 J = 460.24 kJ
Nu divideres med antallet af tilstedeværende mol for at få den molære forbrændingsvarme af ethanol:
(460,24 kJ) / (0,336 mol) = 1.369 kJ / mol.
Dette er et betydeligt antal, hvad du ville forvente af noget, der kan bruges til at drive biler.