Calor de Combustão, por Combustível e por Oxigénio

Escolha um combustível e defina se a sua água sai como vapor, como numa chama, ou no estado líquido, como num calorímetro ou no seu corpo. A página faz o acerto da equação de combustão e divide o mesmo calor de três maneiras: pela massa do combustível, pela massa do oxigénio e pelo volume do oxigénio. As duas últimas correspondem às grandezas que um laboratório de incêndios e um hospital medem.

Exemplo resolvido — Calor de Combustão, por Combustível e por Oxigénio

Oxigénio por mole queimada	2,00 mol
Calor libertado por mole	802,69 kJ/mol
Por quilograma de combustível	50,03 MJ/kg
Por quilograma de oxigénio	12,54 MJ/kg
Por litro de O₂, a 0 °C e 1 atm	17,91 kJ/L
Face aos 13,1 MJ/kg de Huggett	−4,25%
Calor de 1 kg de oxigénio	12,54 MJ

Estes são os valores que a calculadora mostra ao abrir a página. Altere qualquer entrada acima para os recalcular.

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Lição

A teoria — Calor de Combustão, por Combustível e por Oxigénio

O calor de combustão representa a entalpia libertada quando uma mole de combustível arde totalmente em oxigénio: o carbono forma CO₂, o hidrogénio origina H₂O, e o nitrogénio termina em N₂. Numa medição com bomba calorimétrica a água condensa, determinando o poder calorífico superior. Deixar a água na fase de vapor retira 44,004 kJ à reação por cada mole evaporada, originando o poder calorífico inferior. O oxigénio exigido para C_cH_hO_oN_n obedece a c + h/4 − o/2 moles, indicando que o calor em causa pode ser dividido com rigor pela massa do combustível ou pela massa do oxigénio.

O que significa cada símbolo

ΔcH°: a entalpia padrão de combustão, expressa em kJ por mole de combustível, a 25 °C com a água no estado líquido. Assume um valor negativo porque o calor abandona o sistema
n(O₂): as moles de oxigénio necessárias para queimar uma mole de combustível: c + h/4 − o/2
E: o calor libertado por quilograma de oxigénio consumido. O valor de Huggett de 13,1 MJ/kg é o que um laboratório de incêndios assume

Pressupõe: Assume-se uma combustão completa a CO₂ e H₂O a 25 °C e 1 bar, seguindo as entalpias padrão do Chemistry WebBook do NIST. Onde o WebBook apresentar uma medição direta de combustão, o valor impresso reflete-se sem alterações. Caso contrário, o calor deriva de uma entalpia de formação: benzeno, octano, acetileno, amoníaco, hidrogénio, monóxido de carbono e grafite. Este calor é definido trazendo os produtos de volta aos 25 °C; na realidade os gases quentes de uma chama levam esse mesmo calor para longe e libertam-no à medida que arrefecem. O litro de oxigénio assenta a 0 °C e 1 atm. Corresponde ao volume padrão na fisiologia e obedece aos princípios do gás ideal.
Falha quando: Num incêndio muito fumarento, onde uma parte do carbono foge encadeada em CO em vez de CO₂: o carbono confinado em CO liberta apenas 221,06 kJ por mole de O₂, contra os 393,51 abrigados no formato CO₂. Neste cenário cada quilograma de oxigénio rende bem menos energia, forçando a calorimetria baseada no consumo de oxigénio a medir também o CO no fumo se quiser retificar as contas. Falha também para os combustíveis alheios à classe de Thornton, como o hidrogénio e o monóxido de carbono evidenciam nesta página. E falha no corpo humano face à proteína, visto que o seu nitrogénio abandona o organismo como ureia e não sob N₂, impedindo assim que a componente térmica e a parte respiratória sigam a equação apresentada.

Por quilograma de oxigénio, combustíveis que chegam a diferir 3,55 vezes por quilograma calham a menos de 5% de um único número 🖖

O metano liberta 50,03 MJ por quilograma e a glucose 14,10, mantendo a água como vapor em ambos. Dividindo a energia pelo oxigénio consumido, o metano rende 12,54 MJ por quilograma de O₂ e a glucose 13,24. Nestes moldes, onze dos dezasseis combustíveis presentes — sejam gases, líquidos, açúcares, uma gordura ou até amoníaco — aterram a menos de 5% de 13,1. A maior parte deste calor advém da energia das ligações C=O e O–H onde cada O₂ termina. Uma molécula de O₂ acaba quase sempre metida nestas ligações exatas, independentemente do que arde. William Thornton reparou nisto em 1917. Em 1980, Clayton Huggett fixou o número no National Bureau of Standards dos EUA: 13,1 MJ/kg ± 5%. Os laboratórios de incêndios utilizam a sua descoberta. Desde o calorímetro de cone de bancada até aos ensaios com móveis à escala real, os peritos conseguem aferir o calor de um sofá em combustão medindo unicamente o oxigénio que desaparece do fumo. Tudo isto sem necessitarem de saber de que era feito o sofá.

A gordura liberta duas vezes e meia o calor do açúcar por grama, mas rende menos por litro de oxigénio 🖖

Clique em Glucose, no corpo e depois em Gordura, no corpo. A água mantém-se líquida, tal como no seu organismo. Por quilograma, a tripalmitina liberta 39,15 MJ e a glucose 15,57. São 2,51 vezes mais; eis o motivo pelo qual a gordura é a forma escolhida pelos animais para armazenarem a energia que transportam. O cenário inverte-se por litro de oxigénio. A glucose rende 20,86 kJ e a gordura 19,45, cerca de 6,8% menos. Os cálculos expostos na linha dos litros demonstram o porquê: uma mole de O₂ liberta 467,50 kJ ao queimar glucose e 435,94 ao queimar gordura. Num hospital, um carrinho metabólico mede tanto o dióxido de carbono expirado como o oxigénio inspirado precisamente por causa disto. O rácio entre os dois revela que combustível está a arder. Confiar apenas no oxigénio geraria um desvio final de até 7%.

O acetileno quebra a regra de Thornton porque entra na reação com 227,4 kJ/mol de avanço 🖖

Selecione Acetileno: obtém 15,70 MJ por quilograma de oxigénio, ficando 19,88% acima de 13,1 e um quarto acima do metano. A entalpia de formação do acetileno é de +227,4 kJ/mol. Trata-se de energia introduzida quando a molécula foi formada, devolvida na chama acima daquilo que o oxigénio entrega. Retirando este extra, o número do acetileno desce para 12,86, entrando no intervalo. O etileno carrega +52,4 e fica do lado de fora, a uns curtos 5,22%. O hidrogénio e o monóxido de carbono estão ainda mais afastados, a 15,38% e 35,02%, e não constituem compostos orgânicos. Trata-se da classe de onde Thornton derivou a sua regra. O amoníaco escapa igualmente à química orgânica e calha cair no interior da margem, 0,77% acima. A grafite desliza no rumo contrário, ficando 6,12% abaixo.

Problema resolvido na íntegra

A quantidade de calor gerada por um corpo em repouso a partir do seu oxigénio 4 passos
Um adulto em descanso gasta 0,250 litros de oxigénio por minuto, a 0 °C e 1 atm. Qual será a sua produção térmica expressa em watts se operar inteiramente a glucose? E se arder a 100% em gordura? A quanto ascende este total no final de um dia?

Abrir este problema na ferramenta
1. A água conserva o seu estado líquido no interior do corpo. Uma base a glucose liberta então 20,86 kJ por cada litro de oxigénio consumido, transformando os 0,250 litros por minuto num rácio direto de 5,214 kJ por minuto. Ao dividirmos o avanço nos 60 segundos chega-se a 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. Uma alimentação apoiada na tripalmitina da gordura baixa o rendimento a 19,45 kJ por litro: traduz-se em 4,862 kJ mensurados ao minuto, atingindo os 81,0 W.
  
  $0.250 L/min \times 19.45 kJ/L = 4.862 kJ/min = 81.0 W$
3. As hipóteses separam-se por apenas 6,8%. Toda a diversidade autêntica na biologia combinando o açúcar e a gordura corporais tem de assentar no meio destas fronteiras. Isto obriga o oxigénio por si só a fixar qualquer balanço energético dentro desse estreito desvio de tolerância.
  
  $1 - \frac{81 . 0}{86 . 9} = 6 . 8%$
4. O dia humano esgota 86 400 segundos. Assumindo a glucose, a batida dos 86,9 W resulta em 7,51 MJ, atingindo as 1 795 quilocalorias.
  
  $86.9 W \times 86, 400 s = 7.51 MJ = \frac{7 . 51 \times 1 0 ^{6}}{4184} = 1, 795 kcal$
Resposta

86,9 W sob glucose, 81,0 W mediante gordura, registando uma separação de 6,8%; cerca de 7,5 MJ, ou 1 795 kcal diárias a fechar as contas. Esta magnitude abrange a energia necessária para manter um corpo descansado, e aqui repousa o cerne de toda a lógica. O corpo parado atua como um modesto aquecedor, e a respiração serve de marcador principal ao tanque do sistema. Clique em Glucose, no corpo e vai testemunhar a linha do litro encravar em 20,86 kJ/L. A falha técnica das avaliações na página reside na ocultação do dióxido de carbono transpirado. Qualquer exercício metabólico na clínica humana tem de quantificar os dados dessa fração exata para determinar onde a resposta médica flutua dentro do hiato dos 81,0 a 86,9 finais.

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

Referências (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

Pela equipa 42Math · Verificado com fontes publicadas. Correções bem-vindas.