Vous êtes-vous déjà demandé d'où viennent les informations sur les calories sur les étiquettes des aliments? Comment est-il possible de savoir combien d'énergie la nourriture fournira sans réellement étudier son chemin de la bouche vers les cellules du vent consommer les molécules de glucose générées à partir des glucides, des graisses et des protéines qui composent les portions (non aqueuses) des aliments que vous manger?
La teneur en calories, ou la Valeur calorifique, d'une substance est la quantité d'énergie libérée lorsque la substance est complètement « brûlée » ou subit une combustion complète. La combustion est l'un des cinq types fondamentaux de réactions chimiques, et elle se produit toujours en présence d'oxygène gazeux (O2), l'autre réactif étant une sorte de carburant (généralement à base de carbone).
- La valeur calorifique d'une substance est généralement donnée par quantité, c'est-à-dire par mole (m) de substance brûlée.
Comment l'énergie calorifique du carburant est-elle mesurée ?
Tout d'abord, un peu de terminologie. UNE calorie (cal) est la quantité de chaleur (énergie) nécessaire pour élever la température de 1 g (gramme) d'eau de 1 degré Celsius (°C). Les « calories » sur les étiquettes nutritionnelles sont en fait des kilocalories, ou kcal (1 000 cal). En chimie, l'unité standard d'énergie est le joule (J), égal à 4,18 cal. Ainsi, 1 aliment "calorie" est égal à (1.000)(4.18) J = 4.18 kJ.
Le contenu énergétique des aliments est mesuré en mettant une masse connue d'une substance spécifique (par exemple, l'éthanol, un acide aminé, le glucose) dans un appareil appelé un calorimètre de bombe et mesurer la quantité de chaleur libérée lorsque la réaction est terminée. Ceci est accompli en mesurant le changement de température d'une masse d'eau connue dans le calorimètre scellé.
Cette sous-science, appelée calorimétrie, permet un calcul théorique du pouvoir calorifique. Cela dépend de savoir comment un apport d'énergie donné modifie une masse d'eau connue. En effet, cette quantité, appelée chaleur spécifique de l'eau, est connu depuis un certain temps et est expliqué ci-dessous. (D'autres substances ont leurs propres chaleurs spécifiques pour une utilisation dans différentes situations chimiques.)
Comment calculer la valeur calorifique du carburant
La formule de la chaleur de combustion (ou enthalpie de combustion) est une équation :
H = m_C_ΔT
Ici, H est la chaleur dégagée par la combustion, m est la masse en grammes de l'eau utilisée comme collecteur de chaleur, C est le chaleur spécifique de l'eau (4,184 J/g⋅°C), et ΔT est la variation de température en °C.
La formule du pouvoir calorifique est souvent différente de celle-ci, car H et C sont souvent représentés par des symboles différents. Tant que les unités s'alignent toutes pour qu'il vous reste des unités d'énergie (de préférence J), la formule précise du pouvoir calorifique que vous utilisez n'a pas d'importance.
Exemple de calcul de valeur calorifique
Un échantillon de 15,5 grammes d'éthanol, C2H6O (l'alcool dans les "boissons pour adultes") est brûlé dans 2000 g de H2O (2 litres à température ambiante). Il en résulte un changement de température de 55 °C. Quelle est la chaleur molaire de combustion (chaleur de combustion par mole) de l'éthanol? Reportez-vous à un tableau périodique (voir les ressources) pour les poids moléculaires des éléments.
Tout d'abord, utilisez un tableau périodique pour calculer le nombre de moles d'éthanol présent. 1 mol contient deux atomes de carbone (poids moléculaire, ou PM, de 12,0 g; six atomes H (PM = 1,07 g); et un atome d'oxygène (PM = 16,0 g). Ainsi 1 mol = (2)(12) + (6)(1) + 16 = 46,0 g. Vous avez 15,5 g, vous avez donc 15,5/46,0 = 0,336 mol.
Maintenant, référez-vous à l'équation ci-dessus pour déterminer l'énergie libérée de la masse m, la valeur connue de C, et la variation de température ΔT de l'eau :
H = (2 000 g) (4,184 J/g⋅°C) (55 °C) = 460 240 J = 460,24 kJ
Maintenant, divisez par le nombre de moles présentes pour obtenir la chaleur molaire de combustion de l'éthanol :
(460,24 kJ)/(0,336 mol) = 1 369 kJ/mol.
C'est un nombre substantiel, ce que vous attendez de quelque chose qui peut être utilisé pour alimenter des automobiles.