วิธีการคำนวณค่าความร้อน

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าข้อมูลเกี่ยวกับแคลอรี่บนฉลากอาหารมาจากไหน? เป็นไปได้อย่างไรที่จะรู้ว่าอาหารจะให้พลังงานมากน้อยเพียงใดโดยไม่ได้ศึกษาเส้นทางของมันจากปากไปยังเซลล์ใดก็ตามที่มีลม การบริโภคโมเลกุลกลูโคสที่เกิดจากคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีนที่ประกอบเป็นอาหาร (ที่ไม่ใช่น้ำ) ของคุณ กิน?

ปริมาณแคลอรี่หรือ ค่าความร้อนของสารคือปริมาณพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาเมื่อสารถูก "เผา" อย่างสมบูรณ์ หรือผ่านการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ การเผาไหม้เป็นหนึ่งในห้าประเภทพื้นฐานของปฏิกิริยาเคมี และมักเกิดขึ้นเมื่อมีก๊าซออกซิเจน (O .)₂) โดยที่สารตั้งต้นอีกตัวหนึ่งเป็นเชื้อเพลิงบางชนิด (โดยปกติจะเป็นเชื้อเพลิงจากคาร์บอน)

• ค่าความร้อนของสารมักจะให้ตามปริมาณ กล่าวคือ ต่อโมล (m) ของสารที่เผา

ประการแรก คำศัพท์บางคำ อา แคลอรี่ (cal) คือปริมาณความร้อน (พลังงาน) ที่ต้องการทำให้อุณหภูมิของน้ำ 1 กรัม (กรัม) สูงขึ้น 1 องศาเซลเซียส (°C) "แคลอรี" บนฉลากโภชนาการจริงๆ แล้วเป็นกิโลแคลอรี หรือ กิโลแคลอรี (1,000 แคลอรี) ในวิชาเคมี หน่วยมาตรฐานของพลังงานคือจูล (J) เท่ากับ 4.18 แคลอรี ดังนั้น 1 อาหาร "แคลอรี่" เท่ากับ (1.000) (4.18) J = 4.18 kJ

ปริมาณพลังงานของอาหารวัดโดยการใส่มวลที่รู้จักของสารเฉพาะ (เช่น เอทานอล กรดอะมิโน กลูโคส) ลงในอุปกรณ์ที่เรียกว่า แคลอรีมิเตอร์ระเบิด และวัดปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดลง ทำได้โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของมวลน้ำที่ทราบในเครื่องวัดปริมาณความร้อนที่ปิดสนิท

วิชาย่อยนี้เรียกว่า การวัดปริมาณความร้อนอนุญาตให้คำนวณค่าความร้อนตามทฤษฎี ขึ้นอยู่กับการรู้ว่าพลังงานที่ให้มาเปลี่ยนมวลน้ำที่รู้จักได้อย่างไร อันที่จริงปริมาณนี้เรียกว่า ความร้อนจำเพาะของน้ำเป็นที่รู้จักมาระยะหนึ่งแล้วและอธิบายไว้ด้านล่าง (สารอื่นๆ มีความร้อนจำเพาะสำหรับใช้ในสถานการณ์ทางเคมีที่แตกต่างกัน)

สูตรสำหรับความร้อนของการเผาไหม้ (หรือเอนทาลปีของการเผาไหม้) เป็นสมการ:

H = m_C_ΔT

ที่นี่ H คือความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้ m คือมวลเป็นกรัมของน้ำที่ใช้เป็นตัวเก็บความร้อน ค คือ ความร้อนจำเพาะของน้ำ (4.184 J/g⋅°C) และ ΔT คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในหน่วย °C

สูตรค่าความร้อนมักจะดูแตกต่างไปจากนี้ เนื่องจาก H และ C มักใช้สัญลักษณ์ต่างกันแทน ตราบใดที่หน่วยทั้งหมดอยู่ในแนวเดียวกันเพื่อให้คุณเหลือหน่วยพลังงาน (ควรเป็น J) สูตรค่าความร้อนที่แม่นยำที่คุณใช้ก็ไม่สำคัญ

ตัวอย่างเอทานอล 15.5 กรัม C₂โฮ₆O (แอลกอฮอล์ใน "เครื่องดื่มสำหรับผู้ใหญ่") ถูกเผาใน H. 2,000 กรัม₂O (2 ลิตรที่อุณหภูมิห้อง) ส่งผลให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป 55 °C ความร้อนโมลาร์ของการเผาไหม้ (ความร้อนของการเผาไหม้ต่อโมล) ของเอทานอลคือเท่าใด อ้างถึงตารางธาตุ (ดูแหล่งข้อมูล) สำหรับน้ำหนักโมเลกุลของธาตุ

ขั้นแรก ใช้ตารางธาตุเพื่อคำนวณจำนวนโมลของเอทานอลที่มีอยู่ 1 โมลประกอบด้วยอะตอม C สองอะตอม (น้ำหนักโมเลกุลหรือ MW ที่ 12.0 กรัม; หก H อะตอม (MW = 1.07 g); และออกซิเจนหนึ่งอะตอม (MW = 16.0 g) ดังนั้น 1 โมล = (2)(12) + (6)(1) + 16 = 46.0 กรัม คุณมี 15.5 กรัม ดังนั้น คุณมี 15.5/46.0 = 0.336 โมล

ตอนนี้ อ้างถึงสมการข้างต้นเพื่อหาพลังงานที่ปลดปล่อยออกจากมวล m ค่าที่ทราบของ คและอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ΔT ของน้ำ:

H = (2,000 ก.)(4.184 J/g⋅°C)(55 °C) = 460,240 J = 460.24 kJ

ทีนี้ หารด้วยจำนวนโมลที่มีอยู่เพื่อรับความร้อนโมลาร์ของการเผาไหม้เอทานอล:

(460.24 kJ)/(0.336 โมล) = 1,369 กิโลจูล/โมล.

นี่เป็นตัวเลขจำนวนมาก สิ่งที่คุณคาดหวังจากสิ่งที่สามารถนำมาใช้เป็นพลังงานให้กับรถยนต์ได้