¿Alguna vez se ha preguntado de dónde proviene la información sobre calorías en las etiquetas de los alimentos? ¿Cómo es posible saber cuánta energía proporcionarán los alimentos sin estudiar realmente su camino desde la boca hasta las células que se forman? consumiendo las moléculas de glucosa generadas a partir de los carbohidratos, grasas y proteínas que componen las porciones (distintas del agua) de los alimentos que ¿comer?
El contenido calórico, o el poder calorífico, de una sustancia es la cantidad de energía que se libera cuando la sustancia se "quema" por completo o sufre una combustión completa. La combustión es uno de los cinco tipos básicos de reacciones químicas y siempre ocurre en presencia de gas oxígeno (O2), siendo el otro reactivo algún tipo de combustible (generalmente a base de carbono).
- El poder calorífico de una sustancia generalmente se da por cantidad, es decir, por mol (m) de sustancia quemada.
¿Cómo se mide la energía calorífica del combustible?
Primero, algo de terminología. A
caloría (cal) es la cantidad de calor (energía) necesaria para elevar la temperatura de 1 g (gramo) de agua 1 grado Celsius (° C). Las "calorías" en las etiquetas nutricionales son en realidad kilocalorías o kcal (1000 cal). En química, la unidad estándar de energía es el joule (J), igual a 4,18 cal. Por lo tanto, 1 "caloría" de alimento es igual a (1.000) (4.18) J = 4.18 kJ.El contenido de energía de los alimentos se mide colocando una masa conocida de una sustancia específica (por ejemplo, etanol, un aminoácido, glucosa) en un dispositivo llamado calorímetro de bomba y medir la cantidad de calor liberado cuando la reacción se completa. Esto se logra midiendo el cambio de temperatura de una masa conocida de agua en el calorímetro sellado.
Esta subciencia, llamada calorimetría, permite un cálculo teórico del poder calorífico. Depende de saber cómo una determinada entrada de energía cambia una masa conocida de agua. De hecho, esta cantidad, llamada calor específico del agua, se conoce desde hace algún tiempo y se explica a continuación. (Otras sustancias tienen sus propios calores específicos para su uso en diferentes situaciones químicas).
Cómo calcular el valor calorífico del combustible
La fórmula para el calor de combustión (o entalpía de combustión) es una ecuación:
H = m_C_ΔT
Aquí, H es el calor liberado por la combustión, m es la masa en gramos del agua utilizada como colector de calor, C es el calor específico del agua (4,184 J / g⋅ ° C) y ΔT es el cambio de temperatura en ° C.
La fórmula de valor calorífico a menudo se ve diferente a esto, porque H y C a menudo se representan con símbolos diferentes. Siempre que todas las unidades se alineen de modo que le queden unidades de energía (preferiblemente J), la fórmula precisa de valor calorífico que utilice no importa.
Ejemplo de cálculo de valor calorífico
Una muestra de 15,5 gramos de etanol, C2H6O (el alcohol en las "bebidas para adultos") se quema en 2000 g de H2O (2 litros a temperatura ambiente). Esto da como resultado un cambio de temperatura de 55 ° C. ¿Cuál es el calor molar de combustión (calor de combustión por mol) del etanol? Consulte una tabla periódica (consulte los Recursos) para conocer los pesos moleculares de los elementos.
Primero, use una tabla periódica para calcular la cantidad de moles de etanol presentes. 1 mol contiene dos átomos de C (peso molecular, o PM, de 12,0 g; seis átomos de H (PM = 1,07 g); y un átomo de oxígeno (PM = 16,0 g). Por tanto, 1 mol = (2) (12) + (6) (1) + 16 = 46,0 g. Tienes 15,5 g, entonces tienes 15,5 / 46,0 = 0,336 mol.
Ahora, consulte la ecuación anterior para calcular la energía liberada de la masa m, el valor conocido de C, y el cambio de temperatura ΔT del agua:
H = (2000 g) (4,184 J / g⋅ ° C) (55 ° C) = 460,240 J = 460,24 kJ
Ahora, divida por la cantidad de moles presentes para obtener el calor molar de combustión del etanol:
(460,24 kJ) / (0,336 mol) = 1.369 kJ / mol.
Este es un número sustancial, lo que cabría esperar de algo que pueda usarse para impulsar automóviles.