Ciepło spalania

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Ciepło spalania – ilość energii oddawanej do otoczenia na sposób ciepła w czasie spalania określonej ilości substancji w ustalonych warunkach. Wartości ciepła spalania są stosowane w technice cieplnej w czasie określania wartości opałowej paliw. W termochemii są często stosowaną podstawą obliczeń wartości ciepła różnych reakcji chemicznych na podstawie wartości ciepła spalania substratów i produktów tej reakcji.

Technika cieplna[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Wartość opałowa.

W technice cieplnej definiuje się pojęcia ciepła całkowitego (Qc) i zupełnego spalania jednostki masy paliwa (1 kg paliwa stałego lub ciekłego) lub jednostki objętości (1 Nm³ paliwa gazowego). Spalanie jest wykonywane w stałej objętości, w bombie kalorymetrycznej. Produkty spalania są oziębiane do temperatury początkowej, a para wodna zawarta w spalinach skrapla się zupełnie. Wyniki pomiarów odnosi się do warunków standardowych i wyraża w jednostkach J/kg lub J/Nm³[1][2][3][4].

Termochemia[edytuj | edytuj kod]

W termochemii wartości ciepła spalania związków chemicznych odnosi się do liczby postępu reakcji λ=1. Wyróżnia się ciepło spalania w stałej objętości (Qv) i pod stałym ciśnieniem (Qp). Jeżeli w czasie reakcji nie jest wykonywana inna praca poza pracą zmiany objętości (−pΔV), to ciepło reakcji spalania jest równe odpowiedniej funkcji termodynamicznej – entalpii spalania lub energii wewnętrznej tej reakcji[3]:

  • gdy v, T = const i nie jest wykonywana żadna praca:
Q_v = \Delta u = \left( \frac{\partial u}{\partial \lambda} \right)_{T, v} \, (energia wewnętrzna reakcji spalania)
  • gdy p, T = const i nie jest wykonywana inna praca, poza pracą zmiany objętości (p Δv)
Q_p = \Delta h = \left( \frac{\partial h}{\partial \lambda} \right)_{T, p} \, (entalpia reakcji spalania).

Wartości ciepła spalania (przykłady)[edytuj | edytuj kod]

Wartości ciepła spalania węglowodorów, alkoholi i kwasów (przykłady)[5]
Węglowodory Qp [kJ/mol] Alkohole Qp [kJ/mol] Kwasy Qp [kJ/mol] Alkeny Qp [kJ/mol]
CH4 891,6 CH3OH 725,5 CH3COOH 878,2 C2H4 1413,1
C2H6 1562,1 C2H5OH 1368,7 C2H5COOH 1540,2 C3H6 2061
C3H10 2223,3 n-C3H7OH 2020,2 C3H7COOH 2198,9 C4H8 2722,6
n-C4H10 2882,9 n-C4H9OH 2673,6 C4H9COOH 2858,8 C5H10 3395,4
n-C5H12 3541,9 n-C5H11OH 3328,1 C5H11COOH 3516,2
n-C6H14 4200,1 n-C6H13OH 3982,8 C6H13COOH 4171,1
n-C7H16 4857,9 n-C7H15OH 4638,5 C7H15COOH 4830,2
n-C8H18 5514 n-C8H17OH 5294,5 C8H17COOH 5491,8

Zastosowania standardowych wartości entalpii spalania[edytuj | edytuj kod]

Pomiary entalpii spalania różnych czystych związków chemicznych są stosunkowo łatwe i dokładne. Wyniki tych pomiarów (zamieszczane w tabelach charakterystyk związków) są wykorzystywane w czasie obliczania ciepła dowolnych reakcji chemicznych. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki i prawem Hessa ciepło reakcji jest równe różnicy między sumą ciepeł spalania produktów i ciepeł spalania substratów (wartości molowe pomnożone przez odpowiednie współczynniki stechiometryczne, analogicznie jak w przypadku korzystania ze standardowych ciepeł tworzenia reagentów)[3]. W ten sposób można np. obliczyć standardową entalpię reakcji syntezy ciekłego metanolu z wodoru i tlenku węgla znając standardowe entalpie spalania CO, H2 i CH3OH[6]. Entalpię reakcji syntezy metanu z grafitu i wodoru w wyniku reakcji:

C(graf.) + 2H2(g) → CH4(g)

której nie można przeprowadzić w kalorymetrze, oblicza się na podstawie trzech znanych wartości entalpii spalania grafitu, wodoru i metanu[3].

Symbol reakcji Równanie reakcji spalania Entalpia spalania (kJ/mol)
A C(graf.) + O2(g) → CO2(g) −393,5
B H2(g) + ½O2(g) → H2O(g) −285,9
C CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) −890,4

Równanie reakcji tworzenia metanu (R) można otrzymać poprzez sumowanie trzech reakcji:

R = A + 2B - C

co oznacza, że istnieje hipotetyczna możliwość przeprowadzenia syntezy CH4 również taką drogą, a zgodnie z prawem Hessa ostateczna zmiana entalpii swobodnej układu byłaby taka sama. Stąd:

\Delta H_{R} = -393,5 + 2 \cdot (-285,9) - (-890,4) = -74,9 \ \mathrm{{kJ/mol}}
Zasada obliczeń ciepła tworzenia metanu z pierwiastków (R) na podstawie wartości ciepeł reakcji: A – spalania grafitu, B – spalania wodoru, C – reakcji odwrotnej do spalania metanu (zastosowanie prawa Hessa)

W przedstawiony sposób można obliczyć ciepła tworzenia wielu związków organicznych. W przypadkach, gdy nie są dostępne zmierzone wartości entalpii spalania węglowodorów dopuszcza się stosowanie założenia o addytywności, zgodnie z którą udział jednej grupy metylenowej w wartości ΔH wynosi w warunkach standardowych −659,17 kJ (możliwe jest obliczenie entalpii spalania dla związków szeregu homologicznego alkanów, jeżeli jest znana jedna zmierzona wartość ciepła spalania). Bardziej złożone zagadnienia pojawiają się w sytuacjach, gdy część reagentów zawiera heteroatomy (np. siarka, azot), które w produktach spalania mogą występować na różnych stopniach utleniania, często w związkach rozpuszczających się w wodzie. Niezbędne jest wówczas dokładne określenie stanu końcowego dla każdego z końcowych produktów spalania[3].

Przypisy

  1. 1,0 1,1 Pomiary ciepła spalania według PN-EN ISO 1716 (pol.). W: Strona internetowa Centrum N-B Ochrony Przeciwpożarowej [on-line]. www.cnbop.pl. [dostęp 2013-06-19].
  2. 2,0 2,1 praca zbiorowa: Encyklopedia techniki – Chemia. Wyd. 4. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo–Techniczne, 1993, s. 146, 515. ISBN 83-204-1312-5.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Józef Szarawara: Termodynamika chemiczna. Warszawa: WNT, 1969, s. 247–250.
  4. 4,0 4,1 Władysław Kasieczka: Oznaczanie ciepła spalania i wartości opałowej paliw stałych (pol.). W: Materiały dydaktyczne Katedry Techniki Cieplnej i Chłodnictwa Politechniki Łódzkiej [on-line]. itcich.p.lodz.pl, 2010. [dostęp 2013-06-19].
  5. 5,0 5,1 Oznaczanie ciepła spalania w bombie kalorymetrycznej metodą według PN EN ISO 1716 2002; 1.4. Ciepła spalania związków chemicznych (pol.). W: Materiały dydaktyczne Szkoły Głównej Służby Pożarniczej [on-line]. www.sgsp.edu.pl. [dostęp 2013-06-20].
  6. 6,0 6,1 Efekty energetyczne przemian chemicznych > Przykład 3 (pol.). W: Chemia. Wirtualny podręcznik > Elementy energetyki, kinetyki i statyki chemicznej [on-line]. www.chemia.dami.pl. [dostęp 2013-06-19].