Πώς να υπολογίσετε μια θερμογόνο δύναμη

Αναρωτηθήκατε ποτέ από πού προέρχονται οι πληροφορίες σχετικά με τις θερμίδες στις ετικέτες τροφίμων; Πώς είναι δυνατόν να γνωρίζουμε πόση ενεργειακή τροφή θα παράσχει χωρίς να μελετήσει κανείς την πορεία της από το στόμα προς ό, τι τα κύτταρα κυλούν καταναλώνουν τα μόρια γλυκόζης που παράγονται από τους υδατάνθρακες, τα λίπη και τις πρωτεΐνες που αποτελούν τα (μη νερό) τμήματα της τροφής σας τρώω?

Το περιεχόμενο σε θερμίδες ή το θερμιδική αξία, μιας ουσίας είναι η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται όταν η ουσία "καίγεται εντελώς" ή υφίσταται πλήρη καύση. Η καύση είναι ένας από τους πέντε βασικούς τύπους χημικών αντιδράσεων και συμβαίνει πάντα παρουσία αερίου οξυγόνου (Ο₂), με το άλλο αντιδραστήριο να είναι ένα είδος καυσίμου (συνήθως με βάση τον άνθρακα).

• Η θερμιδική αξία μιας ουσίας δίνεται συνήθως σε βάση ανά ποσότητα, δηλαδή ανά γραμμομόριο (m) ουσίας που καίγεται.

Πρώτον, κάποια ορολογία. ΕΝΑ θερμίδα (cal) είναι η ποσότητα θερμότητας (ενέργειας) που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας 1 g (γραμμάριο) νερού 1 βαθμού Κελσίου (° C). Οι "θερμίδες" στις ετικέτες διατροφής είναι στην πραγματικότητα κιλοκαλori, ή kcal (1.000 θερμίδες). Στη χημεία, η τυπική μονάδα ενέργειας είναι το joule (J), ίσο με 4,18 cal. Έτσι, 1 τροφή "θερμίδες" ισούται με (1.000) (4.18) J = 4.18 kJ.

Η ενεργειακή περιεκτικότητα των τροφίμων μετράται τοποθετώντας μια γνωστή μάζα μιας συγκεκριμένης ουσίας (π.χ. αιθανόλη, ένα αμινοξύ, γλυκόζη) σε μια συσκευή που ονομάζεται θερμιδόμετρο βόμβα και μέτρηση της ποσότητας θερμότητας που απελευθερώνεται όταν η αντίδραση ολοκληρωθεί. Αυτό επιτυγχάνεται μετρώντας τη μεταβολή της θερμοκρασίας μιας γνωστής μάζας νερού στο σφραγισμένο θερμιδόμετρο.

Αυτή η υπο-επιστήμη, που ονομάζεται θερμιδομετρία, επιτρέπει έναν θεωρητικό υπολογισμό της θερμογόνου αξίας. Εξαρτάται από το να γνωρίζουμε πώς μια δεδομένη ενεργειακή είσοδος αλλάζει μια γνωστή μάζα νερού. Στην πραγματικότητα, αυτή η ποσότητα, που ονομάζεται ειδική θερμότητα του νερού, είναι γνωστό εδώ και αρκετό καιρό και εξηγείται παρακάτω. (Άλλες ουσίες έχουν τη δική τους ειδική θέρμανση για χρήση σε διαφορετικές καταστάσεις χημείας.)

Ο τύπος για τη θερμότητα της καύσης (ή ενθαλπία καύσης) είναι μια εξίσωση:

Η = m_C_ΔT

Εδώ, H είναι η θερμότητα που απελευθερώνεται από την καύση, m είναι η μάζα σε γραμμάρια του νερού που χρησιμοποιείται ως συλλέκτης θερμότητας, ντο είναι το ειδική θερμότητα του νερού (4.184 J / g⋅ ° C), και ΔT είναι η αλλαγή θερμοκρασίας σε ° C.

Ο τύπος θερμιδικής αξίας συχνά φαίνεται διαφορετικός από αυτό, επειδή τα H και C αντιπροσωπεύονται συχνά από διαφορετικά σύμβολα. Όσο όλες οι μονάδες ευθυγραμμίζονται έτσι ώστε να μένετε με μονάδες ενέργειας (κατά προτίμηση J), ο ακριβής τύπος θερμιδικής αξίας που χρησιμοποιείτε δεν έχει σημασία.

Ένα δείγμα 15,5 γραμμαρίων αιθανόλης, C₂Η₆O (το αλκοόλ στα "ποτά ενηλίκων") καίγεται σε 2.000 g H₂O (2 λίτρα σε θερμοκρασία δωματίου). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αλλαγή θερμοκρασίας 55 ° C. Τι είναι η μοριακή θερμότητα καύσης (θερμότητα καύσης ανά γραμμομόριο) αιθανόλης; Ανατρέξτε σε έναν περιοδικό πίνακα (δείτε τους πόρους) για μοριακά βάρη στοιχείων.

Αρχικά, χρησιμοποιήστε έναν περιοδικό πίνακα για να υπολογίσετε τον αριθμό γραμμομορίων αιθανόλης που υπάρχει. 1 mol περιέχει δύο άτομα C (μοριακό βάρος, ή MW, 12,0 g. έξι άτομα Η (MW = 1,07 g); και ένα άτομο οξυγόνου (MW = 16,0 g). Έτσι 1 mol = (2) (12) + (6) (1) + 16 = 46,0 g. Έχετε 15,5 g, οπότε έχετε 15,5 / 46,0 = 0,336 mol.

Τώρα, ανατρέξτε στην παραπάνω εξίσωση για να υπολογίσετε την ενέργεια που απελευθερώνεται από τη μάζα m, τη γνωστή τιμή του ντοκαι η αλλαγή θερμοκρασίας ΔΤ του νερού:

H = (2.000 g) (4.184 J / g⋅ ° C) (55 ° C) = 460.240 J = 460.24 kJ

Τώρα, διαιρέστε με τον αριθμό των γραμμομορίων που υπάρχουν για να λάβετε τη μοριακή θερμότητα της καύσης αιθανόλης:

(460,24 kJ) / (0,336 mol) = 1,369 kJ / mol.

Αυτός είναι ένας σημαντικός αριθμός, αυτό που θα περιμένατε από κάτι που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία αυτοκινήτων.