Har du någonsin undrat var informationen om kalorier på matetiketter kommer ifrån? Hur är det möjligt att veta hur mycket energi mat kommer att ge utan att egentligen studera sin väg från munnen till vad cellerna snurrar upp konsumerar glukosmolekylerna genererade från kolhydrater, fetter och proteiner som utgör de (icke-vatten) delarna av maten du äta?
Kaloriinnehållet eller värmevärde, av ett ämne är den mängd energi som frigörs när ämnet helt "bränns" eller genomgår fullständig förbränning. Förbränning är en av de fem grundläggande typerna av kemiska reaktioner, och den förekommer alltid i närvaro av syrgas (O2), varvid den andra reaktanten är något slags (vanligtvis kolbaserat) bränsle.
- Värmevärdet för ett ämne ges vanligtvis per mängd, det vill säga per mol (m) förbränt ämne.
Hur mäts värmebränslenergi?
Först en del terminologi. A kalori (cal) är den mängd värme (energi) som behövs för att höja temperaturen på 1 g (gram) vatten 1 grad Celsius (° C). "Kalorierna" på näringsetiketter är faktiskt kilokalorier eller kcal (1000 kal). I kemi är standardenheten för energi joule (J), lika med 4,18 cal. Således är 1 mat "kalori" lika med (1.000) (4.18) J = 4.18 kJ.
Livsmedels energiinnehåll mäts genom att sätta en känd massa av ett specifikt ämne (t.ex. etanol, en aminosyra, glukos) i en anordning som kallas en bomb kalorimeter och mäta mängden värme som frigörs när reaktionen slutförts. Detta åstadkommes genom att mäta temperaturförändringen för en känd vattenmassa i den förseglade kalorimetern.
Denna undervetenskap, kallad kalorimetri, möjliggör en teoretisk beräkning av värmevärdet. Det beror på att veta hur en given energitillförsel förändrar en känd vattenmassa. I själva verket kallas denna kvantitet specifik vattenvärme, har varit känt under en längre tid och förklaras nedan. (Andra ämnen har sina egna specifika värme för användning i olika kemiska situationer.)
Hur man beräknar bränslets värmevärde
Formeln för förbränningsvärmen (eller entalpi av förbränning) är en ekvation:
H = m_C_ΔT
Här är H värmen som frigörs genom förbränning, m är massan i gram av vattnet som används som värmeuppsamlare, C är specifik vattenvärme (4,184 J / g C ° C), och AT är temperaturförändringen i ° C.
Värmevärdsformeln ser ofta annorlunda ut från detta, eftersom H och C ofta representeras av olika symboler. Så länge enheterna alla är i linje så att du har energienheter (helst J), spelar ingen roll den exakta värmevärdsformeln du använder.
Beräkningsexempel för värmevärde
Ett 15,5 g prov av etanol, C2H6O (alkoholen i "vuxna drycker") bränns i 2000 g H2O (2 liter vid rumstemperatur). Detta resulterar i en temperaturförändring på 55 ° C. Vad är molär förbränningsvärme (förbränningsvärme per mol) etanol? Se en periodisk tabell (se Resurser) för molekylvikter av element.
Använd först ett periodiskt system för att beräkna antalet mol etanol närvarande. 1 mol innehåller två C-atomer (molekylvikt, eller MW, av 12,0 g; sex H-atomer (MW = 1,07 g); och en syreatom (MW = 16,0 g). Således 1 mol = (2) (12) + (6) (1) + 16 = 46,0 g. Du har 15,5 g, så du har 15,5 / 46,0 = 0,336 mol.
Se nu ekvationen ovan för att räkna ut den energi som frigörs från massan m, det kända värdet av Coch temperaturförändringen ΔT för vattnet:
H = (2.000 g) (4.184 J / g / ° C) (55 ° C) = 460.240 J = 460.24 kJ
Dela nu med antalet mol närvarande för att få den molära förbränningsvärmen av etanol:
(460,24 kJ) / (0,336 mol) = 1 369 kJ / mol.
Detta är ett stort antal, vad du kan förvänta dig av något som kan användas för att driva bilar.
