Ti sei mai chiesto da dove provengono le informazioni sulle calorie sulle etichette degli alimenti? Come è possibile sapere quanta energia fornirà il cibo senza studiare realmente il suo percorso dalla bocca a qualunque cellula si sposti? consumare le molecole di glucosio generate dai carboidrati, dai grassi e dalle proteine che compongono le porzioni (non di acqua) di cibo che mangiare?
Il contenuto calorico, o il valore calorico, di una sostanza è la quantità di energia che si libera quando la sostanza è completamente "bruciata", o subisce una combustione completa. La combustione è uno dei cinque tipi fondamentali di reazioni chimiche e si verifica sempre in presenza di gas ossigeno (O2), con l'altro reagente che è una sorta di combustibile (di solito a base di carbonio).
- Il potere calorifico di una sostanza è solitamente dato in base alla quantità, cioè per mole (m) di sostanza bruciata.
Come viene misurata l'energia calorica del combustibile?
Innanzitutto, un po' di terminologia. UN caloria
(cal) è la quantità di calore (energia) necessaria per aumentare la temperatura di 1 g (grammo) di acqua di 1 grado Celsius (°C). Le "calorie" sulle etichette nutrizionali sono in realtà chilocalorie o kcal (1.000 cal). In chimica, l'unità standard di energia è il joule (J), pari a 4,18 cal. Quindi, 1 "caloria" alimentare è uguale a (1,000) (4,18) J = 4,18 kJ.Il contenuto energetico del cibo viene misurato inserendo una massa nota di una sostanza specifica (ad es. etanolo, un amminoacido, glucosio) in un dispositivo chiamato calorimetro bomba e misurare la quantità di calore liberata quando la reazione va a completamento. Ciò si ottiene misurando la variazione di temperatura di una massa d'acqua nota nel calorimetro sigillato.
Questa sotto-scienza, chiamata calorimetria, consente un calcolo teorico del potere calorifico. Dipende dal sapere come un dato apporto energetico modifica una massa d'acqua nota. Infatti questa quantità, chiamata calore specifico dell'acqua, è noto da tempo ed è spiegato di seguito. (Altre sostanze hanno i propri calori specifici per l'uso in diverse situazioni chimiche.)
Come calcolare il potere calorifico del carburante
La formula per il calore di combustione (o entalpia di combustione) è un'equazione:
H = m_C_ΔT
dove H è il calore ceduto dalla combustione, m è la massa in grammi dell'acqua utilizzata come collettore di calore, C è il calore specifico dell'acqua (4,184 J/g⋅°C) e ΔT è la variazione di temperatura in °C.
La formula del potere calorifico spesso ha un aspetto diverso da questo, perché H e C sono spesso rappresentati da simboli diversi. Finché le unità si allineano tutte in modo da rimanere con unità di energia (preferibilmente J), la formula del potere calorifico precisa che usi non ha importanza.
Esempio di calcolo del potere calorifico
Un campione di 15,5 grammi di etanolo, C2H6O (l'alcol nelle "bevande per adulti") viene bruciato in 2.000 g di H2O (2 litri a temperatura ambiente). Ciò si traduce in una variazione di temperatura di 55 °C. Qual è il calore molare di combustione (calore di combustione per mole) dell'etanolo? Fare riferimento a una tavola periodica (vedi Risorse) per i pesi molecolari degli elementi.
Per prima cosa, usa una tavola periodica per calcolare il numero di moli di etanolo presenti. 1 mole contiene due atomi di C (peso molecolare, o MW, di 12,0 g; sei atomi di H (MW = 1,07 g); e un atomo di ossigeno (MW = 16,0 g). Quindi 1 mol = (2)(12) + (6)(1) + 16 = 46,0 g. Hai 15,5 g, quindi hai 15,5/46,0 = 0,336 mol.
Ora, fare riferimento all'equazione sopra per calcolare l'energia liberata dalla massa m, il valore noto di C, e la variazione di temperatura ΔT dell'acqua:
H = (2.000 g)(4.184 J/g⋅°C)(55 °C) = 460.240 J = 460,24 kJ
Ora, dividi per il numero di moli presenti per ottenere il calore molare di combustione dell'etanolo:
(460,24 kJ)/(0,336 mol) = 1.369 kJ/mol.
Questo è un numero sostanziale, quello che ti aspetteresti da qualcosa che può essere utilizzato per alimentare le automobili.