Põlemissoojus kütuse ja hapniku kohta

Vali kütus ja see, kas vesi väljub auruna nagu leegist või vedelikuna nagu kalorimeetris ja organismis. Leht tasakaalustab põlemisreaktsiooni ning jagab sama soojushulga kolmel viisil: kütuse massi, hapniku massi ja hapniku ruumala järgi. Kaht viimast suurust mõõdetakse tulelaboris ja haiglas.

Näidisarvutus — Põlemissoojus kütuse ja hapniku kohta

Hapnik ühe mooli põletamiseks	2,00 mol
Eralduv soojus mooli kohta	802,69 kJ/mol
Kütuse kilogrammi kohta	50,03 MJ/kg
Hapniku kilogrammi kohta	12,54 MJ/kg
Võrdlus Huggetti väärtusega 13,1 MJ/kg	−4,25%
Soojushulk 1 kg hapnikust	12,54 MJ

Need on väärtused, mida kalkulaator lehe avamisel näitab. Muuda ülal mõnda sisendit, et need ümber arvutada.

Interaktiivse simulatsiooni laadimine...

Õppetund

Teooria — Põlemissoojus kütuse ja hapniku kohta

Põlemissoojus on entalpia, mis vabaneb ühe mooli kütuse täielikul põlemisel hapnikus: süsinik muutub CO₂-ks, vesinik H₂O-ks ja lämmastik N₂-ks. Pommkalorimeetris mõõtmisel vesi kondenseerub ning saadakse ülemine kütteväärtus. Kui vesi jääb auruks, viib iga mool seda kaasa 44,004 kJ ja tulemuseks on alumine kütteväärtus. C_cH_hO_oN_n põletamiseks kulub c + h/4 − o/2 mooli hapnikku. Seega saab soojushulga jagada kütuse või hapniku massiga.

Mida iga sümbol tähendab

ΔcH°: standardne põlemisentalpia, ühikuga kJ kütuse mooli kohta, temperatuuril 25 °C ja vedela vee korral. Väärtus on negatiivne, sest soojus lahkub süsteemist
n(O₂): hapniku moolide arv ühe mooli kütuse põletamiseks: c + h/4 − o/2
E: ühe kilogrammi tarbitud hapniku kohta vabanev soojus. Tulelabor eeldab Huggetti väärtust 13,1 MJ/kg

Eeldab: Eeldatakse täielikku põlemist CO₂-ks ja H₂O-ks temperatuuril 25 °C ning rõhul 1 bar, nagu NIST Chemistry WebBooki standardsete entalpiate puhul. Kui WebBookis on otsene põlemismõõtmine, kasutatakse seal avaldatud väärtust. Muudel juhtudel arvutatakse põlemissoojus tekkeentalpiast; nii toimitakse benseeni, oktaani, etüüni, ammoniaagi, vesiniku, süsinikmonooksiidi ja grafiidi puhul. Soojushulk on määratud eeldusel, et saadused viiakse tagasi temperatuurile 25 °C. Leegi kuumad gaasid kannavad sama soojuse jahtumiseni endaga kaasa. Hapnikuliitri ruumala on määratud temperatuuril 0 °C ja rõhul 1 atm, füsioloogias kasutatavatel standardtingimustel, ning hapnikku käsitatakse ideaalgaasina.
Ei kehti, kui: Reegel ei kehti tahmavas tules, kus osa süsinikust väljub CO, mitte CO₂ kujul. Ainult CO-ks põlenud süsinik vabastab O₂ mooli kohta 221,06 kJ, CO₂-ks põlemisel aga 393,51 kJ. Seetõttu eraldub hapniku kilogrammi kohta vähem soojust ja hapnikutarbimise kalorimeetrias tuleb paranduse tegemiseks mõõta CO sisaldust. Erandeid leidub ka väljaspool Thorntoni käsitletud aineklassi, nagu näitavad sellel lehel vesinik ja süsinikmonooksiid. Organismis ei sobi võrrand valkudele, sest nende lämmastik väljub karbamiidi, mitte N₂-na. Seetõttu ei järgi võrrandit ei soojushulk ega hapnikutarve.

Kütused, mille soojushulk kilogrammi kohta erineb 3,55 korda, jäävad hapniku kilogrammi kohta ühe väärtuse ±5% vahemikku 🖖

Metaan vabastab kilogrammi kohta 50,03 MJ ja glükoos 14,10 MJ, kui vesi on mõlemal juhul auruna. Jagades soojushulga kasutatud hapniku massiga, annab metaan O₂ kilogrammi kohta 12,54 MJ ja glükoos 13,24 MJ. Selle arvestuse järgi jäävad siin kuusteistkümnest kütusest üksteist väärtuse 13,1 MJ ± 5% piiresse: gaasid, vedelikud, suhkrud, rasv ja isegi ammoniaak. Suurem osa soojusest pärineb C=O- ja O–H-sidemete energiast, millesse iga O₂ lõpuks jõuab. Olenemata põletatavast ainest moodustab O₂ molekul üsna samasugused sidemed. William Thornton märkas seda 1917. aastal. Clayton Huggett määras USA Riiklikus Standardibüroos 1980. aastal arvväärtuseks 13,1 MJ/kg ± 5%. Tulelaborites kasutatakse seda nii lauapealses koonuskalorimeetris kui ka täismõõdus mööblikatsetes. Põleva diivani soojuseraldus leitakse suitsus puuduva hapniku järgi, ilma et oleks vaja teada diivani materjali.

Rasv annab grammi kohta kaks ja pool korda rohkem soojust kui suhkur, hapnikuliitri kohta aga vähem 🖖

Vajuta Glükoos organismis ja seejärel Rasv organismis. Vesi jääb vedelaks nagu sinu kehas. Tripalmitiin annab kilogrammi kohta 39,15 MJ ja glükoos 15,57 MJ. Vahe on 2,51-kordne, mistõttu talletavad loomad kaasaskantavat energiat rasvana. Hapnikuliitri kohta on järjestus vastupidine: glükoos annab 20,86 kJ ja rasv 19,45 kJ ehk ligikaudu 6,8% vähem. Liitri rea arvutus näitab põhjust. Üks mool O₂ vabastab glükoosi põletamisel 467,50 kJ ja rasva põletamisel 435,94 kJ. Seetõttu mõõdab haigla ainevahetusanalüsaator nii väljahingatud süsinikdioksiidi kui ka sissehingatud hapnikku. Nende suhe näitab, milline kütus põleb; ainult hapniku põhjal võiks tulemus erineda kuni 7%.

Etüün ei järgi Thorntoni reeglit, sest toob kaasa 227,4 kJ/mol energiat 🖖

Vajuta Etüün: hapniku kilogrammi kohta 15,70 MJ, mis on väärtusest 13,1 MJ 19,88% ja metaani näitajast veerandi võrra rohkem. Etüüni tekkeentalpia on +227,4 kJ/mol. See energia kulus molekuli moodustumisel ja vabaneb põlemisel lisaks hapnikuga seotud energiale. Kui see maha arvata, langeb etüüni näitaja väärtusele 12,86 ja jõuab vahemikku. Eteen sisaldab +52,4 kJ/mol ning jääb napilt vahemikust välja, 5,22% üle selle. Vesinik ja süsinikmonooksiid erinevad veel enam, vastavalt 15,38% ja 35,02% ülespoole. Kumbki ei ole orgaaniline ühend, mille kohta Thornton oma reegli sõnastas. Ka ammoniaak pole orgaaniline, kuid satub 0,77% ülempiiriga vahemikku. Grafiit jääb teisele poole, 6,12% allapoole.

Ülesanne täielikult lahendatud

Kui palju soojust tekitab puhkeolekus organism tarbitud hapnikust 4 sammu
Puhkeolekus täiskasvanu tarbib minutis 0,250 liitrit hapnikku, mõõdetuna temperatuuril 0 °C ja rõhul 1 atm. Kui suur on tema soojusvõimsus vattides, kui kütuseks on ainult glükoos? Aga ainult rasv? Kui palju energiat teeb see ööpäevas?

Ava see ülesanne tööriistas
1. Organismis jääb vesi vedelaks. Glükoos annab siis hapnikuliitri kohta 20,86 kJ ning 0,250 liitrit minutis annab 5,214 kJ minutis. Jagades selle 60 sekundiga, saame 86,9 W.
  
  $0.250 L/min \times 20.86 kJ/L = 5.214 kJ/min = \frac{5214 J}{60 s} = 86.9 W$
2. Tripalmitiinina arvestatud rasv annab liitri kohta 19,45 kJ: 4,862 kJ minutis ehk 81,0 W.
  
  $0.250 L/min \times 19.45 kJ/L = 4.862 kJ/min = 81.0 W$
3. Tulemused erinevad 6,8%. Iga tegelik suhkru ja rasva segu jääb nende vahele, nii et ainuüksi hapnikutarve määrab soojusvõimsuse selle vahemiku täpsusega.
  
  $1 - \frac{81 . 0}{86 . 9} = 6 . 8%$
4. Ööpäevas on 86 400 sekundit. Glükoosi korral annab 86,9 W kokku 7,51 MJ ehk 1 795 kilokalorit.
  
  $86.9 W \times 86, 400 s = 7.51 MJ = \frac{7 . 51 \times 1 0 ^{6}}{4184} = 1, 795 kcal$
Vastus

Glükoosi korral 86,9 W, rasva korral 81,0 W; vahe on 6,8%. Ööpäevas ligikaudu 7,5 MJ ehk 1 795 kcal. See vastab puhkeolekus inimese energiavajaduse suurusjärgule. Organism on väike soojusallikas ja hapnikumõõtur toimib selle kütusenäidikuna. Vajuta Glükoos organismis: liitri reas näed väärtust 20,86 kJ/L. Leht ei näita süsinikdioksiidi kogust. Tegelikus ainevahetuse mõõtmises on seda vaja, et leida tulemus vahemikus 81,0 kuni 86,9.

$81.0 W \leq P \leq 86.9 W \approx 7.5 MJ/day$

Allikad (3)

Every heat of combustion and formation enthalpy on the page, fuel by fuel, each with the measurement it comes from: P. J. Linstrom and W. G. Mallard (eds.), NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD.
The 13.1 MJ per kilogram of oxygen, ±5%, that the page sets every fuel against: C. Huggett, "Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurements." Fire and Materials 4(2), 1980, pp. 61-65. DOI 10.1002/fam.810040202
How a fire laboratory turns the oxygen missing from its exhaust into a heat release rate, and the history back to Thornton's 1917 observation: J. C. Yang, "Detailed Derivations of Formulas for Heat Release Rate Calculations Revisited: A Pedagogical and Systematic Approach." Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 124, 124016, 2019. DOI 10.6028/jres.124.016

42Mathi meeskond · Kontrollitud avaldatud allikate põhjal. Parandused on teretulnud.