レッスン
理論 — 燃料と酸素それぞれの燃焼熱
燃焼熱とは、一モルの燃料が酸素中で完全に燃焼した際に放出されるエンタルピーのことです。炭素はCO₂に、水素はH₂Oに、窒素はN₂になります。ボンブ熱量計で測定すると水は凝縮し、その数値は高位発熱量と呼ばれます。水を気体のままにしておくと、水一モルにつき44.004 kJが奪われ、低位発熱量となります。CcHhOoNnに必要な酸素はc + h/4 − o/2モルであるため、発熱量は燃料の質量または酸素の質量で割ることができます。
各記号の意味
ΔcH°- 燃料一モルあたりの標準燃焼エンタルピー(kJ)。25 °Cで水が液体の状態。熱が放出されるため負の値となる
n(O₂)- 燃料一モルの燃焼に必要な酸素のモル数:c + h/4 − o/2
E- 消費された酸素一キログラムあたりの発熱量。ハゲットの値である13.1 MJ/kgは、火災研究所で前提とされる数値
- 前提
- NIST Chemistry WebBookの標準エンタルピーと同様に、25 °Cおよび1 barでのCO₂とH₂Oへの完全燃焼を前提とします。WebBookに直接の燃焼測定値が記載されている場合はその数値をそのまま使用し、それ以外(ベンゼン、オクタン、アセチレン、アンモニア、水素、一酸化炭素、黒鉛)については生成エンタルピーから熱量を導出しています。この熱量は、生成物が25 °Cに戻された状態として定義されています。炎の高温ガスは、冷却されるまでその同じ熱を運び去るためです。酸素一リットルは0 °Cおよび1 atmとし、これは生理学者の標準体積であり、理想気体として扱われます。
- 成り立たない場合
- 炭素の一部がCO₂ではなくCOとして放出される、煙の多い火災の場合。COまでしか燃焼しなかった炭素は、CO₂になる場合の393.51 kJに対して、O₂一モルあたり221.06 kJしか放出しないため、酸素一キログラムあたりの発熱量は少なくなります。そのため、酸素消費熱量測定ではCOを測定して補正しなければなりません。また、このページにおける水素や一酸化炭素が示すように、ソーントンの分類から外れる燃料にも当てはまりません。さらに、体内のタンパク質の場合も同様です。その窒素はN₂ではなく尿素として排出されるため、熱量も酸素量もこのページの方程式には従いません。
全プロセスの詳細解説
-
休息時の身体が酸素から作り出す熱量 4 ステップ
安静時の大人は、0 °Cおよび1 atmの条件下で一分間に0.250リットルの酸素を摂取します。 燃料がすべてグルコースだと仮定した場合、ワットで表す熱出力はいくらになるでしょうか。また、すべて脂肪だと仮定した場合はどうでしょうか。さらに、それは一日あたりどのくらいの量になりますか。
-
体内では水は液体のままです。したがってグルコースは酸素一リットルあたり20.86 kJの熱を出し、一分間に0.250リットルということは一分間に5.214 kJとなります。これを60秒で割ると、86.9 Wになります。
-
脂肪(トリパルミチン)の場合は一リットルあたり19.45 kJとなり、一分間に4.862 kJ、つまり81.0 Wです。
-
これら二つの数値には6.8%の差があります。糖と脂肪のあらゆる現実的な混合物はこの間に位置するため、酸素量さえ分かれば発熱量をこの範囲内に絞り込むことができます。
-
一日は86,400秒です。グルコースを燃料とする場合、86.9 Wは7.51 MJ、つまり1,795キロカロリーになります。
解答
グルコースの場合は86.9 W、脂肪の場合は81.0 Wで、その差は6.8%です。一日あたりでは約7.5 MJ、つまり1,795 kcalになります。 これが休息している人間のエネルギー要件の規模であり、安静時の身体は小さなヒーターであって、その酸素メーターが燃料計になるという点が重要です。体内のグルコースを押すと、一リットルあたりの行に20.86 kJ/Lと表示されます。このページに表示されていないのは二酸化炭素の量であり、実際の代謝測定では、81.0から86.9の間のどこに答えがあるかを知るためにそれが必要になります。
-
参考文献 (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