Ciepło spalania – ilość energii oddawanej do otoczenia na sposób ciepła w wyniku spalania określonej ilości substancji w ustalonych warunkach. Wartości ciepła spalania są stosowane w technice cieplnej do 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

Osobny artykuł: Wartość opałowa.

W technice cieplnej definiuje się pojęcia ciepła całkowitego   i zupełnego spalania jednostki masy paliwa (1 kg paliwa stałego lub ciekłego) lub jednostki objętości (1 Nm³ paliwa gazowego w warunkach normalnych). 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

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

  • gdy   i nie jest wykonywana żadna praca:
  (energia wewnętrzna reakcji spalania)
  • gdy   i nie jest wykonywana inna praca, poza pracą zmiany objętości  
  (entalpia reakcji spalania).

Wartości ciepła spalania (przykłady) edytuj

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 HCOOH 256,6
C2H6 1562,1 C2H5OH 1368,7 CH3COOH 878,2 C2H4 1413,1
n-C3H8 2223,3 n-C3H7OH 2020,2 C2H5COOH 1540,2 C3H6 2061
n-C4H10 2882,9 n-C4H9OH 2673,6 C3H7COOH 2198,9 C4H8 2722,6
n-C5H12 3541,9 n-C5H11OH 3328,1 C4H9COOH 2858,8 C5H10 3395,4
n-C6H14 4200,1 n-C6H13OH 3982,8 C5H11COOH 3516,2
n-C7H16 4857,9 n-C7H15OH 4638,5 C6H13COOH 4171,1
n-C8H18 5514 n-C8H17OH 5294,5 C7H15COOH 4830,2

Zastosowania standardowych wartości entalpii spalania edytuj

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.)
+ 2H
2(g)
→ CH
4(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.)
+ O
2(g)
→ CO
2(g)
−393,5
B H
2(g)
+ ½O
2(g)
→ H
2
O
(c)
−285,9
C CH
4(g)
+ 2O
2(g)
→ CO
2(g)
+ 2H
2
O
(c)
−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:

  = −393,5 + 2·(−285,9) – (−890,4) = −74,9 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   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 edytuj

  1. Pomiary ciepła spalania według PN-EN ISO 1716. [w:] Strona internetowa Centrum N-B Ochrony Przeciwpożarowej [on-line]. www.cnbop.pl. [dostęp 2016-03-04]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-12-15)]. (pol.).
  2. Praca zbiorowa: Encyklopedia techniki – Chemia. Wyd. 4. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1993, s. 146, 515. ISBN 83-204-1312-5.
  3. a b c d e Józef Szarawara: Termodynamika chemiczna. Warszawa: WNT, 1969, s. 247–250.
  4. Tadeusz R. Fodemski: Pomiary cieplne cz. 1 Podstawowe pomiary cieplne. WNT, 2000. ISBN 83-204-2579-4.
  5. Oznaczanie ciepła spalania w bombie kalorymetrycznej metodą według PN EN ISO 1716 2002; 1.4. Ciepła spalania związków chemicznych W: Materiały dydaktyczne Szkoły Głównej Służby Pożarniczej (www.sgsp.edu.pl, data dostępu = 2013-06-20).
  6. Efekty energetyczne przemian chemicznych > Przykład 3. [w:] Chemia. Wirtualny podręcznik > Elementy energetyki, kinetyki i statyki chemicznej [on-line]. www.chemia.dami.pl. [dostęp 2013-06-19]. (pol.).

Linki zewnętrzne edytuj