Вы когда-нибудь задумывались, откуда берется информация о калориях на этикетках продуктов питания? Как можно узнать, сколько энергии будет обеспечивать пища, не изучая ее путь ото рта до любых клеток? потребляя молекулы глюкозы, полученные из углеводов, жиров и белков, составляющих (не содержащие воду) порции пищи, вы есть?
Калорийность или теплотворная способность, вещества - это количество энергии, которое высвобождается, когда вещество полностью «сгорает» или подвергается полному сгоранию. Горение - это один из пяти основных типов химических реакций, и оно всегда происходит в присутствии газообразного кислорода (O2), а другим реагентом является какое-то топливо (обычно на основе углерода).
- Теплотворная способность вещества обычно указывается на основе количества, то есть на моль (м) сожженного вещества.
Как измеряется теплотворная способность топлива?
Сначала немного терминологии. А калорийность (кал) - это количество тепла (энергии), необходимое для повышения температуры 1 г (грамма) воды на 1 градус Цельсия (° C). «Калории» на этикетках питания - это килокалории или ккал (1000 кал). В химии стандартной единицей энергии является джоуль (Дж), равный 4,18 кал. Таким образом, 1 пищевая «калория» равна (1.000) (4,18) Дж = 4,18 кДж.
Энергетическая ценность пищи измеряется путем помещения известной массы определенного вещества (например, этанола, аминокислоты, глюкозы) в устройство, называемое калориметр бомбы и измерение количества выделяющегося тепла, когда реакция подходит к завершению. Это достигается путем измерения изменения температуры известной массы воды в герметичном калориметре.
Эта наука, называемая калориметрия, позволяет теоретически рассчитать теплотворную способность. Это зависит от знания того, как данная подводимая энергия изменяет известную массу воды. Фактически, эта величина, называемая удельная теплоемкость воды, был известен в течение некоторого времени и объясняется ниже. (У других веществ есть своя собственная теплоемкость для использования в различных химических ситуациях.)
Как рассчитать теплотворную способность топлива
Формула теплоты сгорания (или энтальпии сгорания) представляет собой уравнение:
H = m_C_ΔT
Здесь H - тепло, выделяемое при сгорании, m - масса воды в граммах, используемой в качестве коллектора тепла, C это удельная теплоемкость воды (4,184 Дж / г⋅ ° C), а ΔT - изменение температуры в ° C.
Формула теплотворной способности часто выглядит иначе, потому что H и C часто обозначаются разными символами. Пока все единицы выровнены так, что у вас останутся единицы энергии (предпочтительно Дж), точная формула теплотворной способности, которую вы используете, не имеет значения.
Пример расчета теплотворной способности
Образец этанола массой 15,5 грамма, C2ЧАС6O (алкоголь в "напитках для взрослых") сжигается в 2000 г H2О (2 литра при комнатной температуре). Это приводит к изменению температуры на 55 ° C. Какова молярная теплота сгорания (теплота сгорания на моль) этанола? Обратитесь к таблице Менделеева (см. Ресурсы), чтобы узнать о молекулярных массах элементов.
Во-первых, используйте таблицу Менделеева, чтобы вычислить количество молей этанола. 1 моль содержит два атома C (молекулярная масса, или MW, 12,0 г; шесть атомов H (молекулярная масса = 1,07 г); и один атом кислорода (молекулярная масса = 16,0 г). Таким образом, 1 моль = (2) (12) + (6) (1) + 16 = 46,0 г. У вас 15,5 г, значит, 15,5 / 46,0 = 0,336 моль.
Теперь обратитесь к приведенному выше уравнению, чтобы вычислить энергию, выделяемую массой m, известное значение C, и изменение температуры воды ΔT:
H = (2000 г) (4,184 Дж / г⋅ ° C) (55 ° C) = 460 240 Дж = 460,24 кДж
Теперь разделите на количество присутствующих молей, чтобы получить молярную теплоту сгорания этанола:
(460,24 кДж) / (0,336 моль) = 1369 кДж / моль.
Это значительное количество, чего можно ожидать от устройства, которое можно использовать для двигателей автомобилей.